时间：2023-10-13 16:13:44
【关键词】集成电路版图；教学方法；改革
集成电路版图设计是集成电路设计的最终结果，版图质量的优劣直接关系到整个芯片的性能和经济性，因此，如何培养学生学好集成电路版图设计技术，具备成为合格的版图设计工程师的基本潜质，是摆在微电子专业老师面前的一个普遍难题。如何破解这个难题，我们做了以下探索。
一、突出实践，理论配合
传统的《集成电路版图设计》课程采取理论教育优先，学生对于版图的基本理论和设计规则非常熟悉，但动手实践能力缺乏培养，往往在学生毕业后进入集成电路设计企业还需二次培训版图设计能力，造成了严重的人力资源浪费。这是由于没有清晰的认识《集成电路版图设计》课程的性质，造成对它的讲授还是采取传统教学方式：老师讲，学生听，偏重理论，缺乏实践，影响到学生在工作中面临实际设计电路能力的发挥。《集成电路版图设计》是一门承接系统、电路、工艺、EDA技术的综合性课程，如果按照传统方式授课，课程的综合性和实践性无法得到体现，违背了课程应有的自身规律，教学效果和实用意义不能满足工业界的要求。我们在重新思考课程的本质特点后，采取了实践先行，理论配合的教学方法，具体如下：集成电路版图是根据逻辑与电路功能和性能要求，以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜图形，实现芯片设计的最终输出。版图是一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图使用不同的图案来表示。我们首先讲授版图设计工具EDA软件的使用，让学生掌握EDA软件的每一个主要功能，从图形的选择、材料的配置，让学生从感性角度认识实际的版图设计是如何开展的，每一个步骤是如何使用软件完成的，整体芯片版图设计的流程有哪些规定，学生此时设计的版图可能不是很精确和完美，但学生对于什么是版图和如何设计版图有了初步的感性认识，建立起版图设计的基本概念，对于后续的学习奠定了牢实的实践基础，此时再去讲授版图设计理论知识，学生更能理解深层的工艺知识和半导体理论，真正做到了知行合一，实践先行的教育理念，对学生能力的培养大有裨益。
二、注重细节，加强引导
传统方式讲授《集成电路版图设计》理论占大部分时间，学生知道二极管、晶体管、场效应管、电阻、电容等基本元器件的工作原理和构成要素，但是在版图设计中，这些元器件为什么要这样设计，其实内心中充满着疑惑和不解。针对学生的疑惑，我们从工艺细节入手来解决这个问题。作为集成电路版图设计者，首先要熟悉工艺条件和期间物理，才能确定晶体管的具体尺寸、连线的宽度、间距、各次掩膜套刻精度等。版图设计的规则也是由工艺来确定的，掌握了工艺也就掌握了版图设计的钥匙。我们将通用工艺文件的每一条规则向学生讲解，通用元器件的规则整理出它们的共性，最小宽度、长度、间距的尺寸提醒学生要记忆，不同芯片生产厂的工艺对比学习和研究，学生在这一系列规则的学习过程中，慢慢理解熟悉了工艺规则文件的组织构成及学习要点，能够举一反三的在不同工艺规则下，设计同一种元器件的版图，即使电路元器件的数量巨大，电路拓扑关系复杂，在老师耐心的讲解下，学生也能够依据工艺规则设计出符合要求的版图，这都是在理解了工艺规则细节的基础上完成的。所以，关注细节，加强引导，是提高学生学习效果的一个重要方法。
三、完善考核机制，争取比赛练兵
学生成绩的提高，合理完善的考核机制不可或缺。以往《集成电路版图设计》课程的考核主要是理论知识作业和课程报告，学生的学习效果和实际动手能力没有得到考核，造成不能全面评价学生的学习成绩。我们采取项目形式，全方位考核学生的学习效果。根据知识点，将通用模拟电路分成五大类，每个大类提取出经典的电路10种，使用主流芯片加工厂的生产工艺，由经验丰富的老师把它们的版图全部设计出来，作为库单元放在服务器中供学生参考。在学生充分理解库单元实例的基础上，将以往设计的一些实用电路布置给学生，要求在规定的时间内，设计出合格的版图，以此作为最终的考核结果。学生在学习课程期间，可以接触到不同工艺、不同结构的多种类电路，而且必须在规定的时间内设计出版图，这极大的促进了他们学习的积极性和时间观念。学生在设计版图的过程中，会遇到多种问题，他们会采取问老师答疑，和同学讨论的多种方式解决，不仅能督促他们平时上课认真听讲，而且对遇到的问题也能多角度思考，最重要的是他们亲自动手设计版图，将工艺、电路、器件综合考虑，在约定的时间内能力得到极大提高。老师根据学生上传至服务器中设计的不同项目版图打分，而且将每个项目的得分出具详细的报告，对学生的成绩进行点评。学生通过查阅报告，能够知道课程学习的缺点和得分项，为下一次提高设计成绩是一个很好的参考。除了日常学习设计版图项目，学生可以争取参加微电子专业的一些比赛，通过比赛体会一些具有挑战性的版图设计项目，来提高学生在实际场景下如何发挥设计能力和项目组织能力，为他们未来进入职场从事版图设计工作奠定坚实的专业能力和实际解决问题能力。
四、总结
《集成电路版图设计》课程是一门兼具理论基础和实践锻炼想结合的课程，对它的讲授不仅需要扎实的理论基础，还需合理的实践环节配合，才能取得良好的教学效果。
参考文献
[1]Christopher Saint/Judy Saint.集成电路版图基础-实用指南[M].北京:清华大学出版社,2006(10).
[2]蔡懿慈.超大规模集成电路设计导论[M].北京:清华大学出版社,2005(10.
[3]编委会.最新高等院校实验室建设与管理及教学指导手册[M].北京:中国教育出版社,2006(11).
基金项目：北方工业大学教育教学改革和课程建设基金。
【关键词】集成电路版图；SN7400；逆向解析
1.引言
随着我国微电子产业的蓬勃发展，集成电路自主设计需求迅速增加[1][2]。集成电路设计分为正向设计和逆向设计[3]。正向设计是根据芯片的功能要求设计电路，仿真验证后进行版图设计，再进行设计规则检验、电路和版图比较检验，最后进行后仿真检验。逆向设计是首先对已有的芯片采用化学方法进行分层拍照和提取纵向参数。从版图照片上提取电路，仿真验证后，根据现有的工艺条件，借鉴解析版图进行版图设计，最终达到指标要求[4]。集成电路版图设计是科学性和艺术性的结合，需要长期的实践才能设计出优秀产品，为了节约成本和学习先进经验，经常需要研究性能优良芯片的版图结构，相互借鉴，提高产品质量。
本文对SN7400芯片进行了逆向解析，通过研究掌握了该芯片的设计思想和单元器件结构，对于双极型集成电路设计是十分有益的。
2.芯片分层拍照
本文解析的SN7400芯片是双列直插式塑料封装，共14个管脚，包含四个二输入与非门。根据芯片编号规则判断为双极工艺制造。
首先将芯片放到浓硝酸中加热去掉封装，用去离子水冲洗、吹干后在显微镜下拍照铝层照片。再将芯片放到盐酸溶液中漂洗去掉铝层，用去离子水冲洗、吹干后放到氢氟酸溶液中去掉二氧化硅层，经去离子水冲洗、吹干后用染色剂染色，杂质浓度高部分颜色变深，冲洗、吹干后在显微镜下对去铝层（有源层）芯片拍照[5]。
采用图形编辑软件分别对两层照片进行拼接，获得版图照片。
3.单元结构
有铝层和去铝层照片表明芯片四个二输入与非门结构相同，只要分析一个与非门即可。该芯片一个二输入与非门无铝版图照片如图1所示。其中1A和1B为输入端，1Y为输出端。
该芯片是P衬底和N外延层，与非门主要由NPN晶体管、电阻和二极管构成。NPN晶体管结构如图2所示。
图2（a）和（b）分别为纵向NPN晶体管版图和剖面图。纵向NPN晶体管由于性能比PNP晶体管好，因此是双极工艺的主要使用晶体管。隔离区为P+注入，采用结隔离技术，隔离区接低电平，保证隔离区反偏[6]。图2（c）为二发射极NPN晶体管版图，作为与非门的输入端，这种设计既减少了面积又提高了输入晶体管匹配度。图2（d）为隔离岛合并器件版图，是由一个NPN晶体管、一个二极管和一个基区电阻构成，该设计减少了版图面积和寄生参数。
图3为电阻和二极管版图。图3（a）为基区电阻的版图，集成电路电阻的阻值是通过方块电阻计算的，基区方块电阻典型值为100～200Ω/，电阻越长阻值越大，电阻越宽阻值越小。图3（b）为二极管版图，外延层隔离岛为N区，隔离区为P区。
4.电路图和仿真
根据SN7400芯片的铝层和去铝层版图照片提取了一个二输入与非门电路如图4（a）所示。采用Pspice软件对电路图进行瞬态仿真，其中电源电压为5V，输入信号高电平为3.5V，低电平为0.2V，仿真结果如图4（b）所示。结果表明该电路实现了与非门的逻辑功能，电路提取正确。
5.结论
本文采用化学方法对SN7400芯片进行了分层拍照，提取了电路图，仿真验证正确。从芯片的版图分析，该芯片采用NPN晶体管、PN结二极管和基区电阻等器件单元，四个与非门版图一致且对称布局。该芯片采用典型的双极工艺，为了节省面积采用共用隔离区方法，为提高匹配度采用多发射极晶体管。电路为典型的TTL与非门电路。该芯片的版图布局体现了设计的合理性和科学性。
参考文献
[1]雷瑾亮，张剑，马晓辉.集成电路产业形态的演变和发展机遇[J].中国科技论坛，2013，7：34-39.
[2]汪娣娣，丁辉文.浅析我国集成电路布图设计的知识产权保护——我国集成电路企业应注意的相关问题[J].半导体技术，2003，28：14-17.
[3]朱正涌，张海洋，等.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社，2009.
[4]曾庆贵.集成电路版图设计[M].北京：机械工业出版社， 2008.
[5]王健，樊立萍.CD4002B芯片解析在版图教学中的应用[J].中国电力教育，2012，31：50-51.
[6]Hastings，A.模拟电路版图的艺术[M].北京：电子工业出版社，2008.
作者简介：
王健（1965—），男，辽宁沈阳人，硕士，沈阳化工大学信息工程学院副教授，研究方向：微机电系统设计。
【关键词】集成电路 设计方法 IP技术
基于CMOS工艺发展背景下，CMOS集成电路得到了广泛应用，即到目前为止，仍有95%集成电路融入了CMOS工艺技术，但基于64kb动态存储器的发展，集成电路微小化设计逐渐引起了人们关注。因而在此基础上，为了迎合集成电路时代的发展，应注重在当前集成电路设计过程中从微电路、芯片等角度入手，对集成电路进行改善与优化，且突出小型化设计优势。以下就是对集成电路设计与IP设计技术的详细阐述，望其能为当前集成电路设计领域的发展提供参考。
1 当前集成电路设计方法
1.1 全定制设计方法
集成电路，即通过光刻、扩散、氧化等作业方法，将半导体、电阻、电容、电感等元器件集中于一块小硅片，置入管壳内，应用于网络通信、计算机、电子技术等领域中。而在集成电路设计过程中，为了营造良好的电路设计空间，应注重强调对全定制设计方法的应用，即在集成电路实践设计环节开展过程中通过版图编辑工具，对半导体元器件图形、尺寸、连线、位置等各个设计环节进行把控，最终通过版图布局、布线等，达到元器件组合、优化目的。同时，在元器件电路参数优化过程中，为了满足小型化集成电路应用需求，应遵从“自由格式”版图设计原则，且以紧凑的设计方法，对每个元器件所连导线进行布局，就此将芯片尺寸控制到最小状态下。例如，随机逻辑网络在设计过程中，为了提高网络运行速度，即采取全定制集成电路设计方法，满足了网络平台运行需求。但由于全定制设计方法在实施过程中，设计周期较长，为此，应注重对其的合理化应用。
1.2 半定制设计方法
半定制设计方法在应用过程中需借助原有的单元电路，同时注重在集成电路优化过程中，从单元库内选取适宜的电压或压焊块，以自动化方式对集成电路进行布局、布线，且获取掩膜版图。例如，专用集成电路ASIC在设计过程中为了减少成本投入量，即采用了半定制设计方法，同时注重在半定制设计方式应用过程中融入门阵列设计理念，即将若干个器件进行排序，且排列为门阵列形式，继而通过导线连接形式形成统一的电路单元，并保障各单元间的一致性。而在半定制集成电路设计过程中，亦可采取标准单元设计方式，即要求相关技术人员在集成电路设计过程中应运用版图编辑工具对集成电路进行操控，同时结合电路单元版图，连接、布局集成电路运作环境，达到布通率100%的集成电路设计状态。从以上的分析中即可看出，在小型化集成电路设计过程中，强调对半定制设计方法的应用，有助于缩短设计周期，为此，应提高对其的重视程度。
1.3 基于IP的设计方法
基于0.35μmCMOS工艺的推动下，传统的集成电路设计方式已经无法满足计算机、网络通讯等领域集成电路应用需求，因而在此基础上，为了推动各领域产业的进一步发展，应注重融入IP设计方法，即在集成电路设计过程中将“设计复用与软硬件协同”作为导向，开发单一模块，并集成、复用IP，就此将集成电路工作量控制到原有1/10，而工作效益提升10倍。但基于IP视角下，在集成电路设计过程中，要求相关工作人员应注重通过专业IP公司、Foundry积累、EDA厂商等路径获取IP核，且基于IP核支撑资源获取的基础上，完善检索系统、开发库管理系统、IP核库等，最终对1700多个IP核资源进行系统化整理，并通过VSIA标准评估方式，对IP核集成电路运行环境的安全性、动态性进行质量检测、评估，规避集成电路故障问题的凸显，且达到最佳的集成电路设计状态。另外，在IP集成电路设计过程中，亦应注重增设HDL代码等检测功能，从而满足集成电路设计要求，达到最佳的设计状态，且更好的应用于计算机、网络通讯等领域中。
2 集成电路设计中IP设计技术分析
基于IP的设计技术，主要分为软核、硬核、固核三种设计方式，同时在IP系统规划过程中，需完善32位处理器，同时融入微处理器、DSP等，继而应用于Internet、USB接口、微处理器核、UART等运作环境下。而IP设计技术在应用过程中对测试平台支撑条件提出了更高的要求，因而在IP设计环节开展过程中，应注重选用适宜的接口，寄存I/O，且以独立性IP模块设计方式，对芯片布局布线进行操控，简化集成电路整体设计过程。此外，在IP设计技术应用过程中，必须突出全面性特点，即从特性概述、框图、工作描述、版图信息、软模型/HDL模型等角度入手，推进IP文件化，最终实现对集成电路设计信息的全方位反馈。另外，就当前的现状来看，IP设计技术涵盖了ASIC测试、系统仿真、ASIC模拟、IP继承等设计环节，且制定了IP战略，因而有助于减少IP集成电路开发风险，为此，在当前集成电路设计工作开展过程中应融入IP设计技术，并建构AMBA总线等，打造良好的集成电路运行环境，强化整体电路集成度，达到最佳的电路布局、规划状态。
3 结论
综上可知，集成电路被广泛应用于计算机等产业发展领域，推进了社会的进步。为此，为了降低集成电路设计风险，减少开发经费，缩短开发时间，要求相关技术人员在集成电路设计工作开展过程中应注重强调对基于IP的设计方法、半定制设计方法、全定制设计方法等的应用，同时注重引入IP设计技术理念，完善ASIC模拟、系统测试等集成电路设计功能，最终就此规避电路开发中故障问题的凸显，达到最佳的集成电路开发、设计状态。
参考文献
[1]肖春花.集成电路设计方法及IP重用设计技术研究[J].电子技术与软件工程，2014，12（06）：190-191.
[2]李群，樊丽春.基于IP技术的模拟集成电路设计研究[J].科技创新导报，2013，12（08）：56-57.
[3]中国半导体行业协会关于举办“中国集成电路设计业2014年会暨中国内地与香港集成电路产业协作发展高峰论坛”的通知[J].中国集成电路，2014，20（10）：90-92.
关键词：集成设计 选型 校验 系统模型
pivotal words: Integrated Design,Select and verify equipment type 、Constitute Power System model
一、引言：
在工程电气设计领域中，电力系统的设备选型计算、校验计算无疑是最复杂和最烦琐的一件工作。问题复杂性在于电力系统运行的可靠性要求，必须将所有设备：如高压、低压配电设备、变电、输电线缆等设备全部计算选型校验，要考虑各种运行状态下的设备安全可靠运行，短路时可靠动作。由于设备多、回路多、系统复杂、校验项目多，造成了工作烦琐。目前国内尚无模拟电气工程师思路进行自动选型、校验计算的软件，以代替部分工作，把电气工程师真正从烦琐的计算和绘图中解放出来。我公司最新科研成果------供配电系统集成设计软件正好填补了这一空白。
二、详述：
电气设计的目标
我们只有了解了电气设计最终实现目标才能进行更明确的工作，为了详细说明一个变配电所的所有电气内容，通常需要出的图纸有：
1．1 电气主接线图或高压系统图
1．2 低压系统图
1．3 平面布置图、剖面图
1．4 配电柜立面图
1．5 电缆清册
1．6 设备材料表
1．7 电气计算书
1．8 二次控制原理图
1．9 二次外部线路图
以上图纸中最复杂的图纸，工作量最大的莫过于高低压系统图，因为他们占用的计算工作量大。过去我们也提供一些计算工具软件，但大都是零散的，不系统的，比如负荷计算、电压损失计算、短路计算等，用户对整个系统的认识，一直停留在修改旧图，反复的计算-填写表格-替换设备-删除-复制等低级的劳动中，造成了劳动效率无法大幅度提高。而且由于缺乏整个供-配电系统结构的认识，往往上一级开关调整以后，没有改下一级开关，或上一级开关整定变了，没有跟着调整配线，造成许多前后不对照的错误图纸和问题工程。旧图中大量的图元各自独立并没有共性，所以难以大规模的一次性修改成功。旧图修改重复劳动特别多，反复的重复删除、复制、替换、文字、移动等命令，容易造成笔误。特别是当前工程设计周期被业主大幅度缩短，怎样提高设计、绘图效率就成为了一个关键性的问题。
绘图计算软件的现状
目前国内电气设计软件提供这部分的主要偏向于绘图功能。绘制高低压柜的一次方案，许多家厂商生产的软件都包含了这部分图库。我们绘图主要集中在插入相应的图块进行绘制，然后填写定货图表格。计算则是分开的。
也有个别软件对高低压系统提供了部分计算，但大都是零碎的，不是对系统整体的计算，或是对其中一个回路、某一种负荷类型（如电动机）进行计算，其他回路或负荷类型无法计算，也无法作到上下级配合选型，也没有全面的综合校验电气设备所有技术参数，没有用电需求表，和实际工程需要的设计过程相差太多等等。所以在设计变配电所过程中，大部分工作仍集中在修改旧图，重新计算，选型上。计算机的辅助设计功能没有什么提高。
电气设计的过程分析
选型统一规定
很多设计院在一个工程的协同设计过程中都采用了一种选型方案，比如高压配电柜选用KYN28，低压柜采用抽屉式MNS，主断路器采用CM1，电缆采用 VV 系列，等等，这个选型方案在同一工程中都是相同的。也可以应用到下一个工程中。
用电需求定义
水、暖、工艺等上行专业提供的用电需求,主要内容是用电设备的编号，设备名称，安装位置，额定电压，负荷等级，场所属性，负荷性质等对电气设计的要求。
现在随着计算机普及，很多设计院已经使用EXCEL互提资料。
负荷分配
确定配电设备（配电箱、盘、柜）的位置，把每一个负荷分配到配电设备上。
负荷计算
对每个配电设备进行负荷计算。主要采用需要系数法。
分配电中心计算选
分配电中心（如某层的配电间、竖井、或机房的配电间）的配电柜供给下联的配电盘或箱。对这些配电盘、箱、柜进行选型。
变配电中心计算选
变配电中心对分配电中心供电。对变配电中心的所有设备包括母线、高压电缆、高压柜、低压柜、低压抽屉组件、低压出线等进行选型。
短路计算
选型完成以后，查表得出各组件和线缆的阻抗，并设定短路点，计算每个短路点的三相和单相短路电流。
校验计算
对于高低压设备进行短路校验、电压损失校验、电机启动校验以及灵敏度校验等。校验不合适的值，要重新进行选型。直到校验通过。
绘制系统图
根据系统模型，绘制系统图。
排列柜子。
根据平面情况，布置柜子。并绘制立面图、剖面图。
根据柜子布置情况分别调整系统图抽屉柜位置和编号以及进线柜、母联柜位置
回路库和设备库符号库
高低压柜的一次方案是厂家样本提供的。在CAD绘图中要调用这些方案，必须将这些方案组织成一个回路库。每个回路都是由很多组件组成的。这些组件的电气属性（技术参数）则在设备库中定义。符号库是规定了这些组件对应的图例。以上三者在选型绘图过程中必不可少。
为了应对众多的厂家和不同的型号规格产品，我们符号库、设备库、回路库都是开放的。用户可以新增设备系列，新增回路方案等等。
符号库采用新国标图例。回路库和设备库也采用了最流行最先进的高低柜型号，特别是中国建筑标准所出的《统一技术措施电气设备选型卷》和电力出版社出的最新版《工厂常用电气设备手册》上下册以及上下册补充本。
回路库结构中每个回路都可以设定盘内组件的型号规格和数量或额定电流、控制电机功率，这样完全按照样本提供的内容录入，对选型提供了“电子样本”。
统一规定设定
在做某一工程前，由电气专业项目负责人确定的设备选型的基本方案。该基本方案中将所有电气设备划分为供电、输电、配电、用电几类，用户只须对以上设备进行初步选型，确定设备的系列号以及相关参数。其它参数都可以自动选型。
用电需求定义表
用电需求表是用户自行录入的工程中所用到的所有用电设备列表。用户需要录入用电设备的安装位置、名称编号，设备容量，负荷性质等内容。可以从EXCEL中将水暖工艺提来的资料导入该表中，也可以将输入好的用电需求表导出到EXCEL中编辑。安装位置提供了一个很好的管理所有设备的结构，非常直观方便。
系统模型的建立
本软件设计宗旨和最终目标就是要实现电气设计的目标。即绘制出符合要求的图纸。而绘制图纸前就必须建立供配电系统。此前的设计软件都没有提出过集成设计的概念。
4.1所谓集成设计，就是面向供配电系统整体的电气设计，他包括了统一规定初步选型，用电需求表定义，用电负荷的分配，负荷计算、选型计算、短路计算、校验计算等一系列综合复杂的设计过程。它可以建立供配电系统模型，并能详细的列出模型上每个供配电-输电-用电设备的工作（运行）属性、短路属性、电气属性。
任何一个供配电-输电-用电设备都有三种属性，工作属性、短路属性、电气属性。
工作属性是指当前选定的设备的工作电流、设备容量、工作电压、功率因数等情况。短路属性是指当前选定设备的短路阻抗、短路电流等情况。电气属性是该设备的出厂铭牌的电气型号规格和电气技术参数等。
集成设计的流程是：用电负荷被人工添加到配电柜上。然后进行负荷计算，并自动选择配电柜内元件型号规格，选定短路参数可以进行短路校验。如果短路校验不通过，重新进行选型计算。
4.2系统模型的建立：要想实现对变配电所设备的整体选型校验和设计，必须建立整个工程的配电系统模型，才能够实现对所有设备的选校。
一个好的系统模型首先比较直观，操作简单。上手快。组织严密。由于电气系统的树状结构和WINDOWS资源管理器的树状结构的相似性，我们完全可以利用WINDOWS资源管理器类似结构的树状系统来搭建一个模型，实现简单的配电系统。
电力系统中最常用的电气连接关系就是串联和并联。所有的复杂的网络最后都可以看成是电气设备串联和并联不断组合搭建成的。从下图中可以看出，树节点上从左到右的组件名称关系就组成一个串联的电路：低压配电室(电源)à电缆à负荷开关à变压器à母线à进线柜 ……..
从“3母线”节点下面所接的“3母线à抽屉柜2à抽屉柜3à抽屉柜4à抽屉柜5”是母线并联所连的若干个抽屉柜。
这样搭建成的系统模型，具有形象直观、搭建简单、组织严密等特点。完全可以实现变配电所系统设计的所有功能。附图1对应的供配电系统如附图2所示。
附图1
附图2
4.3系统模型的功能
立系统模型是从工程中的配电中心（配电间、配电室）建立。 统模型可以直观看到开关柜一次方案图形。以方便选型 统模型可以对用电需求进行统一分配。确定所有用电设备的电源位置 4、系统模型可以对每个设备都能进行负荷计算。统计总负荷
5、系统模型可以对电源进行全厂负荷统计，和无功补偿计算
6、系统模型可以进行短路计算。短路计算包括无限大容量系统和有源系统的短路计算。搭建的任何模型都可以自动进行计算。短路阻抗数据库可以扩充。
7、模型在负荷计算、短路计算、和初步选型方案基础上进行自动选型计算
8、系统模型选型计算后对参数进行校验计算，包括高低压设备、配电干线等所有设备都可以按照规范要求进行校验。
统模型可以直观的看到配电中心内配电系统上任何一个设备目前的工作电流，短路点短路电流以及设备技术参数情况。 10. 可以自动输出高低压系统图，主接线图，设备材料表，电缆清册，计算书，和抽屉柜排列图等一系列图纸。完成辅助设计全过程。
软件实现流程图
软件实现过程实际上就是对电气工程师设计过程的模拟和抽象。该流程深入体现了第三节所述的电气设计的全过程，模拟设计思路进行电气辅助设计。
常用设备选型校验方案（部分） 压器选型:负荷分配->负荷计算->选型 低压母线选型
负荷分配->负荷计算->按正常工作电流选型
效验内容如下：
电机启动压降计算 电压损失计算 3、过载保护效验
4、热稳定效验
电缆导线选型
负荷计算->按正常工作电流选型
1、效验电压损失：
2、效验经济电流密度：
3、效验热稳定
4、效验过载保护
低压开关选型
负荷计算->按照正常工作选型：1、选择壳架等级电流 2、选择脱扣器额定电流 3、根据回路保护设置要求，进行短延时，瞬时，长延时三个脱扣器额定电流的选型。
1、效验极限分断能力
2、效验开断电流
3、效验灵敏度
4、上下级配合效验
5、过载保护效验
高压开关选型
负荷计算->按正常工作电流选型 1、选择额定电流
效验开断电流或开断容量。 效验最高工作电压、效验动稳定、效验热稳定。
10、集成设计软件的优点
1．实现了真正意义上的供配电系统模型，是面向整体电力系统的电气设计软件。不同于以往零散的孤立模块，这样的好处是比较直观清楚的让电气工程师知道每个电气元件在电力系统中的位置，作用，运行状态和短路状态以及所有电气属性等。
i.进行负荷计算、短路计算、选型计算和校验计算。集四大计算于一体，更加清晰明了选型结果。
2．成设计便于负荷调整，回路替换，设备技术参数的修改。并提供一系列智能检测系统，保证前后上下级联关系正确，确保电气回路的参数的正确性。
集成设计便于输出管理电缆表，设备表。
集成设计提供了可扩充的回路库和设备库，完全仿照设备样本，全部开放。用户可增添新设备。
集成设计提供给用户最方便直接的查询功能，点击任何一个系统模型上设备元件，都可以看到该设备的电压，流过的电流，功率等运行情况。也可以看到在该点短路时的短路阻抗，短路电流情况，甚至可以查询其他点短路，在该点的短路电流情况。
集成设计的界面采用资源管理器式界面，只要会windows的人都可以建立一个系统模型。不需要另外增加学习时间。操作也是类似与资源管理器，极其容易上手。
集成设计提供了很多常用供配电设备的选型，校验计算方法。用户可以采用某种方法进行校验，也可以都采用，根据需要进行校验。非常灵活。
集成设计是面对电气设备的cad电气设计软件，不象以前那样需要一点点绘制图块，复制粘贴，电气工程师考虑的只有电气设计需要考虑内容，其他有关绘图的命令和操作和任何线条图元，一概不需要考虑。这才是真正意义上的电气设计专家系统。
集成设计完全参考最新版的电气规范、设计手册、统一技术措施和强制性条文以及最新版电气设备手册。紧跟时代步伐。
三、结论
变配电所的负荷计算、短路计算、选型、校验计算是电气设计中最复杂的内容之一。我们应用CAM/CAD软件辅助设计实现这一专家系统，是电气设计行业一次最初步的尝试，具有重要的历史意义和广阔的实用价值。意味着国内电气设计CAD将突破原来偏重于绘图，而轻辅助设计的趋向，向着更加智能化的电气设计专家系统迈出了可喜的一步。
参考书目：
《工业与民用配电设计手册》第二版，中国航空工业规划设计院等编水利电力出版社
《建筑电气设计实例图册》，北京照明学会设计委员会编中国建筑工业出版社
《工厂常用电气设备手册》兵器部第五设计院编中国电力出版社
《民用建筑电气设计手册》湖南电气情报网编中国建筑工业出版社
《低压配电设计规范》GB50054-95中国计划出版社
《供配电系统设计规范》GB50052-95中国计划出版社
【关键词】数字电路 模拟电路 发展
1 前言
随着国民经济的快速增长，科学技术的快速进步，电子信息产业得到快速发展，逐渐渗透到国民经济生活的各个领域，使人们的生活发生了翻天覆地的变化。电子信息产业对军事领域也有着深远的影响，改变了传统战争的作战模式，在现代国防中发挥着越来越重要的作用，其在其在国防领域的应用也彰显了一个国家的综合国防水平。
作为高新技术产业，知识、技术和资本是电子信息技术产业得以快速发展的三个重要因素，它彰显了一个国家或地区制造业的整体水平，也是一个国家或地区科学技术和制造业综合实力的重要标志。就我国目前的社会经济现状而言，我国正处于传统产业结构转型时期。如何平衡新的产业结构，达到经济的稳定快速发展，解决目前政府资本过剩、内需不足、市场疲软等宏观经济问题是我国目前经济社会发展面临的一个重要挑战。而加速电子信息产业的建设与发展，对于促进传统产业变革、改变传统产业结构、增加就业率、提升就业水平具有重要作用是应对这一挑战的最好办法。
电子电路是电子信息产业的技术支撑。是电子信息产业的发展重要限制因素。电子信息产业的快速发展离不开电子科学技术的发展及应用。生产技术的提高及加工工艺的改进加快了集成电路的更新速度，也为电子信息产业注入了蓬勃的朝气以及更加旺盛的生命力，使其得以快速发展。根据其结构、功能的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。
2 模拟电路
模拟电路是一种针对模拟信号（幅值随时间连续变化的信号）行传输或处理的电子电路。它主要是利用电流或电压对真实信号进行模拟，使其等比例的再现。如调幅/调频的收音机，接收处理无线电广播信号，然后经过一系列的混频、放大、解调等过程，最终完成音乐的播放和新闻等的报道。模拟电路在生活中的应用非常广泛，如晶体管小信号放大器，低频功率放大器，负反馈放大器，MOS 集成运放，谐振放大器，直流稳压电源等。都是用模拟电路制作的。
模拟电路的设计过程比较复杂，其设计的重点在于电路参数的实现。其设计的基本流程主要包括以下几个方面：
2.1 系统定义
系统定义是模拟电路设计的基本前提。根据设计要求，模拟电路设计工程师需要对电路系统及子系统做出相应的功能定义，并确定面积、功耗等相关性能的参数范围。
2.2 电路设计
电路结构的选择是电路设计的重要环节。模拟电路设计工程师需要根据模拟电路需要实现的功能要求、设计规范及相应的参数指标选择合适的电路结构，并在此基础上确定元器件的组合方式等。针对模拟电路的设计，目前暂时没有可以利用的比较成熟的设计软件，因此，只能是有工程师根据自己的经验手工完成。这在一定程度上增加了模拟电路设计的难度，限制了模拟电路的发展速度。
2.3 电路仿真
电路仿真是模拟电路的设计过程中必不可少的一个环节，是模拟工程师判断模拟电路是否可以达到设计要求的一个重要依据。工程师根据仿真结果，不断对电路进行修改和调整，直到模拟电路的仿真结果可以达到设定的指标及相应的功能要求。常用方法主要有参数扫描法，直流和交流分析法、蒙特卡罗分析等
2.4 版图实现
版图将电路设计转化生产的重要桥梁。在由前面的设计及仿真结果确定了模拟电路的结构及相关参数后，设计工程师对设计的模拟电路进行物理几何性的描述，将其转换成图形格式，以便于模拟电路后续的加工与制作。
2.5 物理验证
在物理验证阶段，需要对设计的模拟电路进行设计规则检查（DRC）。设计规则检查是在给定的设计规则的基础上对其最小线宽、孔尺寸、最小图形间距等限制工艺进行检查，衡量版图工艺实现上的可行性。此外，还要对版图与电路图的一致性进行检查（LVS）。可以利用LVS工具提取版图的参数，将得到的电路图与原电路设计图进行比较，保证版图与原电路设计的一致性。
2.6 寄生参数提取后仿真
在版图之前进行的电路设计的仿真称之为“前仿真”，“前仿真”都是比较理想的仿真，没有考虑到连线的电阻、电容等寄生参数。将寄生参数加入版图后进行的电路仿真称之为“后仿真”，只有当后仿真的仿真结果达到设计指标及系统功能要求，电路的设计工作才算完成。寄生参数对模拟电路的影响较大，前仿真的仿真结果满足的情况下，后仿真结果却无法满足要求。因此，设计工程师需要根据后仿真结果不断进行晶体管参数的修改，有时甚至要进行电路结构的调整，直至后仿真结果达到系统设计要求。
目前，模拟电路设计难度高且比较复杂，使用的EDA工具的功能和系统配套性又相对落后，且在设计过程中需要进行频繁的人工干预，对寄生参数等比较敏感等，这些都在一定程度上限制了模拟电路的发展，导致模拟电路发展速度相对缓慢。
3 数字电路
关键词：微电子学；预实验；开放式实验
作者简介：梁海莲（1979-），女，江西高安人，江南大学物联网工程学院、信息与控制实验教学中心，讲师；赵琳娜（1979-），女，天津人，江南大学物联网工程学院、信息与控制实验教学中心，讲师。（江苏 无锡 214122）
基金项目：本文系江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题（课题编号：YJG08_YB26）的研究成果。
中图分类号： G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）20-0092-02
随着社会的飞速发展，传统封闭式、单向传输的课程教学模式，已不能适应现代社会发展的需要。近年来，多数高校正积极开展面向高校、企业与科研中心一体化的“产学研”相结合的课程教学改革。[1]
作为电子信息产业核心技术之一的微电子技术，已经成为现代电子信息技术，是当前计算机和通讯技术发展的主要驱动力。[2]作为微电子学专业核心课程之一的“微电子专业实验”，所涉及的基础理论知识面较广，涵盖了“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“模拟集成电路”、“数字集成电路”、“半导体物理”、“半导体器件物理”、“电子设计CAD”、“集成电路封装、制造”等多门专业课程知识。鉴于该课程所需实验设备仪器种类较多、测控要求高、仪器价格昂贵、维护成本高等特点，且受人力、物力的限制，课程中不同实验所需配套设备购置数量较少。然而随着微电子产业对专业人才需求的不断增大，所需人才技能水平日益提高，高校在面向社会、面向未来，构建研究型综合大学的奋斗目标下，必须提高人才培养效率，改变传统教学模式，从根本上解决学生人数多、实验时间短、实践技能提升缓慢等现实问题，这是课程教学改革的关键。
基于上述“微电子专业实验”的课程特点与现实受限因素，迫切需要针对实验教学内容、实验教学方式和实验管理制度等方面进行改革与创新。这是因为实验教学在高校人才培养过程中起着非常重要的作用，是连接知识与实践、实践与创新，并使理论知识向实践能力转化的重要桥梁。[3]为践行研究型综合大学与时俱进的教学理念，[4]在“微电子专业实验”课程教学改革中，以提高学生的综合素质为目标，以学生为主体，在实验教学内容、实验过程、实验管理等方面进行了开放式微电子专业实验课程教学，并取得了良好的教学效果。
一、实验教学内容的设计与完善
针对该课程实验内容系统性强、理论知识抽象复杂的特点，为使学生在进入实验环节之前，对理论知识有一个形象、直接的感触体验，提高学生实验探索的兴趣，设计了一套相关实验所需理论知识的预实验系统。该系统结合电子设计CAD、专业仿真软件、动画演示等，将抽象复杂的专业理论知识形象化，有助于强化学生对理论知识的理解，较好地实现理论与实验相结合的过渡衔接。通过理论知识复习和预实验，既可有效促进学生对理论的理解，又能让学生在预实验中掌握下一步实验过程中的操作技巧，还能为学生获得新的理论知识打下良好的基础。
经初步尝试，整套预实验系统中的电路仿真软件Multisim、印制版电路仿真软件Protel、FPGA嵌入式系统设计、虚拟电子实验室Labview，以及电路系统功能仿真软件MATLAB、集成电路系统仿真软件HSPICE、Cadence电子设计软件及半导体器件仿真TCAD等软件，可实现微电子专业实验从单个器件向电路模块乃至整个电路系统，从前端系统功能设计向后端电路制作及电路性能验证的全功能预实验仿真。借助上述预实验系统，一方面可以加深学生对电路结构、原理的认识与理解；另一方面还能训练学生熟练地使用仪器，掌握正确的测量方法，提升学生的实验数据分析与鉴别能力，还有利于减少实验损伤，提高实验效率。
二、实验管理制度的设计与完善
虽然上述预实验在一定程度上有助于提高实验效率，但在提高学生动手能力、专业技能等方面尚有欠缺。为了进一步解决微电子专业实验仪器精密、贵重且量少，操控较为复杂、耗时费力等问题，仍需改革原有的实验管理制度，改变实验管理方法，提高仪器的使用效率。
针对微电子专业实验仪器精密、贵重、数量较为单一的特点，在购置相关仪器时，建立了专业对口教师采购、运行并维护的主负责管理制度，同时配备该仪器适用专业方向的研究生，经专业培训上岗，辅助指导实验学生正确操控、使用仪器。在新置仪器运行之前，要求厂家针对专业对口主负责教师和若干辅助测控的研究生进行系统运行、维护、管理培训，培训后主负责教师针对“微电子专业实验”课程的培养人数、课程日程、学分等情况，制定了学生实验分组、分时计划，并相应指定各实验小组的助教研究生，指导学生使用该仪器，协助管理实验仪器的运行、维护，并记载相应的实验运行状况、实验人员等。
同时，结合“微电子专业实验”课程系统性强的特点，通过相应的实验教学环节，培养学生独立完成半导体材料特性测试、微电子器件特性测试、微电子技术工艺参数测试和电路系统性能参数测试等，提升学生的综合测试技能和实验分析能力，巩固和强化现代微电子技术与集成电路制造技术的相关知识，并为学生进行理论知识创新提供了一个良好的实验平台和理论基础，综合锻炼了学生分析、探讨和总结实验结果的能力。
三、开放式微电子专业实验课程教改案例
以MOS集成运算放大器设计为例，制备工艺平台为0.6um CMOS工艺，2层多晶硅，5层金属连线，电路工作电压为3～5V。
首先，指定实验内容，两级CMOS集成运算放大器电路原理如图1所示，[5]其中M1～M4为有源负载的差分输入级，M5提供该级工作电流，M8、M9构成了共源放大电路，为输出级，M7为源跟随器，提供增益为1的缓冲器，以克服补偿电容的前馈效应，并消除零点，M6提供M7所需的工作电流，M10、M11组成运放偏置电路。电路性能与目标设计要求输出电压摆幅大于±3V，最大转换速率为30V/μs，补偿电容Cc为10pF。
其次，让参与实验的学生在电路仿真环境HSPICE中结合图1所示电路进行预实验，测试集成运算放大器在数学、物理理论模型下的理想实验参数，完成预实验，本预实验环节所需课时约3学时。在进入下一实验环节前递交实验预习报告，由学生在实验前联系专业机房的管理人员，自行安排课外时间完成。
再次，让学生在Cadence系统中使用Virtuoso软件完成CMOS集成运算放大器的版图设计，版图画完后需采用Design Rules Checker（DRC），按照电路设计规则检查设计的版图文件、运行和找出错误，并在相应版图位置中做出标记和解释。在检查完版图之后，还需进一步对Electrical Rules Checker（ERC）进行检查，以查找线路中的短路、开路和浮空结点，ERC检查到短路错误后将错误提示局限在最短的连接通路上。在修正上述版图、电路连接问题后，仍需使用Layout Versus Schematic（LVS）比较集成电路版图与其原理报告版图的连接是否一致，从而进行反复修改，直到版图和电路原理图达成一致。最终在完成集成运算放大器的版图验证与电路系统性能后仿的物理验证工作之后，方可与相关半导体代工厂联系，确定设计数据文件的大小、后端数据接口处的端口设计及其尺寸等，并交付半导体代工厂制备。本实验环节所需课时约6学时。
最后，将流片后的芯片在逻辑分析仪、混合信号测试仪、半导体参数分析仪等实验平台测试集成电路中器件的电学参数和集成运算放大器性能参数等，并结合预实验的仿真数据对比分析，进一步优化、改进版图，以提高集成运算放大器的综合性能，此实验环节约占3学时。由于本实验环节受仪器数量的限制，实验前需要先把已完成前两环节的实验学生分成2～3人一组，将半导体器件与集成电路测试和版图观测的实验平台安排在一个集成电路测试实验室，而将逻辑分析仪、混合信号测试仪等电路系统测试仪器等实验平台安排在另一个电子电学测试实验室，实现不同类别实验平台的相互独立，有助于不同实验室合理高效地实行开放式实验。当然不同实验平台均有指定能够熟悉操作的助教研究生协助，参与实验的学生能独立完成所需测试类型的实验。实验结束后，学生以书面形式阐述实验过程、分析测试数据、总结实验结果、完成实验报告。教师针对实验过程中出现的新现象、新问题，提出问题的查找方向，鼓励学生积极探索，查阅课外文献，提出具有独到见解的实验观点，为理论知识的创新、发展培养正确的科研方法。同时，也需要对全面开放的专业实验教学模式进行评价和提出建议。
四、结论
调查结果显示，学生对这种开放式微电子专业实验课程教学改革积极性较高，认真负责的配合教师、助教研究生完成实验任务。与传统单一、封闭教学模式相比，本课程教学改革在原实验管理员的积极支持下取得了良好的实验效果，也深受同学们欢迎，有助于提高同学们的学习兴趣和自我学习能力。
参考文献：
[1]刘瑞，伍登学，邬齐荣，等.创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践[J].实验室研究与探索，2004，（5）：6-8，23.
[2]杨依忠，解光军，易茂祥，等.创建微电子专业实验室的探索与实践[J].实验技术与管理，2009，26（12）：137-143.
[3]马瑶，石瑞英，袁菁，等.开放式专业实验教学模式探索和实践[J].高等教育发展研究，2008，25（1）：42-45.
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关键词：心电图仪；ADS1293；低功耗
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.6.016
随着现代社会的高速发展，人们生活水平不断提高的同时，生活节奏变快，生活压力也不断增大。随着人们心理加压的提高，身心负荷的长期超载，使得人类心脏疾病发生率也越来越高，成为威胁人们健康甚至生命的重要杀手之一。所以，人们对于心脏疾病越来越重视，常规心电图机较难在心脏疾病早期发现异常心电图。因而人们需要通过长期的心电监测来保证身体健康。同时，受到电池容量、电子器件等瓶颈的限制，低功耗、便携式心电图仪是解决长期心电监测的关键。兼顾以上特点，本文基于低功耗器件ADS1293、配合TI公司的低功耗单片机MSP430F5505，实现了低功耗便携式心电图仪硬件设计。
总体结构设计
人体心电信号非常微弱，其幅值一般为50μV～5mV，频率范围0.01Hz～250Hz。人体心电信号极易受到其它信号的干扰，如皮肤阻抗造成的极化电压的干扰，呼吸阻抗造成的基线的干扰，情绪及外界刺激引起的肌电干扰等等，其中工频干扰尤为明显。因此心电前端的模拟电路设计对于心电图仪采集系统尤为重要。
如图1所示，本设计通过ADS1293集成芯片的模拟电路对信号处理后，经过ADC采样，之后通过SPI传给MSP430F5505单片机，单片机对数据进行处理，将心率异常事件存储到MSP430F5505的FLASH中，回放事件时通过MSP430F5505自带的USB功能将心率异常事件传给PC机，在PC机上显示心率异常事件趋势图。
基于集成芯片ADS1293的心电前端电路设计
基于人体心电信号的特点，需要前端模拟采集电路有足够大的输入阻抗、足够高的共模抑制能力、较宽的电压动态范围。因此采用CMRR>100dB、输入电压动态范围达±400mV、内置EMI滤波器的ADS1293，既能达到前端模拟电路的设计要求，又可以简化电路减小仪器体积降低仪器功耗。ADS1293内部结构框图如图2所示，ADS1293可分为EMI滤波器、控制开关、仪表运放、Σ24位数据转换等部分。
在设计时，人体左右手电极RA、LA分别与ADS1293的IN2、IN1连接，左右腿电极LL、RL分别与ADS1293的IN3、IN4连接，人体胸导联电极V1与ADS1293的IN5连接，威尔逊中心端WCT与ADS1298的IN6连接。通过SPI控制ADS1293内部控制开关，可以实现I、II、V等3个心电通道的实际采集。根据导联计算公式，可以计算出III、aVR、aVF、aVL导联的数据。原理图如图3所示。
心电数据的采集处理与上传
本设计的控制单片机采用TI公司的MSP430系列低功耗单片机MSP430F5505，通过SPI接口从ADS1293中将3通道数据读出，对接收到的24位原始数据进行滤波处理，滤除由于人体呼吸、肌电、工频等原因产生的干扰信号，并对波形数据进行分析，将异常波形出现的时间作为事件存入到单片机的FLASH中，由于MSP430F5505单片机主频可达到24MHz，数据滤波不会对数据接收产生影响。
通过MSP430F5505单片机的USB功能将FLASH中存储的事件发送到PC机上，这样就可以在PC机上看到被测者心率异常事件的趋势图，被测者可根据趋势图来判断是否需要就医，达到简便快捷的发现早期心脏病变的目的，为心脏疾病的治疗争取时间。
结语
本设计采用低功耗心电前端集成芯片ADS1293采集心电信号与超低功耗单片机MSP430相结合，实现了一种超低功耗的动态心电图仪采集电路。由于ADS1293的高度集成，整个电路可以限制在2cm*2cm大小范围内。功耗可限制在5-10mA范围内，利用单节碱性电池可以实现2～3天的事件数据存储。方便实用。可以广泛应用到家庭、社区，有着广泛的应用前景。
参考文献：
[1] ADS1293 Datasheet[Z].Analog Devices Inc.
[2] 王艳艳，陈艳，吴正平.基于ADS1294便携式心电仪硬件设计[J].科技风，2012，（09）：45
[3] ADS1294 Datasheet[Z].Analog Devices Inc.
关键词：单片机直流稳压电源A/D LCD1602
中图分类号：F42文献标识码：A 文章编号：
前言
随着电力电子技术的迅速发展， 直流电源应用非常广泛， 其性能好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。不同的电子设备，要求的电压值、电流也有所不同。所以将常用的符合规格的直流供电模块集成到一个供电电源上是具有广泛的应用价值的。
1、设计方案
选用全波桥式整流电路进行整流。然后要对输入的电压进行调节。在调节方面。可选用可调节三端正电压稳压器进行调节（LM317）。通过整流后得电流幅值变化很大，所以需要用电容对电流进行滤波。用ADC0832对滤波后的电压进行采集转换,传入单片机进行处理,然后让单片机控制的LCD1602将处理后的电压显示即可。图1为方案流程图
图1 方案流程图
2、设计要求
一种基于STC89C52单片机的数控直流稳压电源应满足输入电压为220V AC50HZ输出为直流电压 ；.电压变化范围：0~27V；连续可调 。采用直流电压源为核心，通过滑动变阻器来调节直流电源的输出电压，经过A/D转换器ADC0832采集并转换数据，再经STC89C52单片机进行处理，并由LCD1602显示实际输出电压值。输出电压范围0-27 V ，输出电流为1A。图2为可控直流稳压电源整体电路
图2可控直流稳压电源整体电路
3、结论
随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，向智能化方向发展。
参考文献
[1]《电子电路》（第五版）高等教育出版社
[2]康华光.《电子技术基础》模拟部分（第五版）高等教育出版社
[3]康华光.《电子技术基础》数字部分（第五版）高等教育出版社
【关键词】SRAM 定制设计 性能 功耗
1 引言
Cache的设计是芯片集成电路设计重要的一部分。高效、快速的SRAM一直以来都是集成电路设计者始终追求的目标。
对于SRAM存储单元来说，它第一个必须具备的优点就是高稳定性，这样才能保证存储体进行正确的读、写操作。在0.18u工艺、0.13u工艺，6T单元具有很好的稳定性，而且由于它面积小的特点，一直备受设计者的青睐。但是，随着CMOS工艺尺寸的发展，在进入65nm、45nm、32nm甚至22nm之后，6管SRAM由于其存储结构的特点，数据输出皆是通过敏感放大器检测位线电压差，并将电压差进行放大输出。但是随着工艺尺寸的缩小和电源电压的降低，6管存储单元的稳定性越来越差，抗噪声能力越来越弱，使得敏感器的开启与关断时间很难控制，而且时常会发生位线的一个噪声电压被敏感放大器放大输出的错误操作。由寄存器组合成的存储模块其面积和功耗是所有低功耗设计者的噩梦。
本文通过实际工程项目中出现的问题，由于6TSRAM和寄存器组成的SRAM在后端物理设计当中出现面积、功耗和时序的问题制约了芯片性能的提升，用8TSRAM进行全定制设计替代芯片中的部分存储模块，最后进行数据对比证明了8TSRAM在纳米级工艺下的重要作用。
2 电路设计
2.1 写路径
写IO模块由32个1倍的DFF和64个4倍的反相器组成，写数据在写门控时钟WCLK控制下，产生WBL以及WBLB，在写字线WWL控制下写入存储单元。
2.2 读路径
IO读出电路分为全局与局部两级电路进行读出，每根局部读位线上挂8个cell，一个局部读出单元电路对两根局部位线进行预充，局部IO电路是16选1。
2.3 时钟模块
图1为时钟模块修改后电路图。为解决写时序中写字线先于写数据稳定的问题，适当推迟写译码时钟WCLK_DEC（推迟约90ps）的开启时间，且不推迟写译码时钟的关断时间（防止字线产生毛刺）；为解决读时序中读出数据存在毛刺的问题，适当推迟求值时钟RCLK_D（推迟约20ps）的开启时间。
3 版图设计
版图结构按功能进行划分，主要包括以下几个部分：中间部分从上至下依次为读写地址二级译码、读写地址预译码、读写地址锁存器、时钟模块；左右两侧为阵列模块，阵列cell中间为Local IO模块，阵列下面依次为Global IO模块、Write IO模块。
整个版图左右两边为阵列，中间为译码及时钟，左右两边距离边界阱不小于1.3um；整个版图上下各加一行DCAP单元，高度为1.68um。图2是存储器的版图布局规划图，下面分别对这几个部分进行说明：
3.1 阵列模块
阵列位于整个存储器的左右两边，由32个32位cell单元组成，阵列左边和右边各有32×16个cell单元，其中上下各有16×16个。
3.2 时钟模块
为减缓电路电压的波动，时钟模块被DCAP单元包围；为减小时钟线上电流密度，时钟线线宽加宽至0.08um；为降低时钟线的耦合串扰，时钟线尽量不与除电源地线外的长线互连线并行走线或者加大与信号线间的间距，尽量被电源线或者地线包围。
4 面积、时序和功耗
TPSRAM32X32的版图面47um×63um，在TSMC40G的WC和WCL工艺拐角下频率可达到1.8GHz，时钟信号的最小脉冲宽度为200ps，在TSMC40G的TC和LT工艺拐角下时钟信号的最小脉冲宽度为130ps。
5 结论
在40nm工艺下，由于电源电压的降低，6T结构SRAM为了保证读操作的正确性，每一代工艺迁移晶体管尺寸的减小都有限，尤其是从45nm工艺迁移到32nm工艺，6T结构的下拉N管尺寸几乎没改变，所以面积也会大于8T结构。
在功耗方面亚阈值漏电流的计算公式如下：
可知，亚阈值漏电流与尺寸大小关，在40nm下8T结构可以选用更小尺寸的下拉管接地，从而有效减少漏电流。
最终的数据结果比对可以查看表1、表2。
参考文献
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[7]C.T.Chuang，S.Mukhopadhyay，J.J.Kim，K.Kim.High-Performance SRAM in NanoscaleCMOS：Design Challenges and Techniques[J].EEE JSSCC，2007：4-12.
作者简介
唐骏（1990-），男。现为国防科学技术大学计算机学院硕士研究生在读。主要研究方向为集成电路设计。
关键词:功率MOSFET;线性高压;运算放大器;功率驱动
中图分类号:TN722.7文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)02-010-02
Design of Linear High Voltage Amplifier Based on Power MOSFET
ZHANG Hao1,WANG Lixin1,LU Jiang1,LIU Su2
(1.The Institute of Microelectronics,Chinese Academiy of Sciences,Beijing,100029,China;
2.School of Physical Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou,730000,China)
Abstract:In order to achieve the linear control of high_voltage output in operational amplifier,based on the electrical properties of power MOSFET,a high_voltage operational amplifier is designed with new structure with power NMOS.Through simulation and experimental results,the linear output voltage is 0~50 V can be achieved,when the range of the input voltage is 0～5 V.And with the further improvement by utilizing power PMOS,the output voltage is -140～+140 V can be acquired,which indicates the high linearity,and with low cost,the needs of high voltage operational amplifier can be met.There is significance in the high power driving of modern communication.
Keywords:power MOSFET;linear high voltage;operational amplifier;power drive
0 引 言
高电压放大器已经广泛应用于通信、信号检测、功率驱动等方面\,并且已成为下一代无线通信系统的关键技术之一。采用各种手段和方法实现放大器高效率且高线性度的工作,对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义。
功率场效应晶体管具有跨导高,漏极电流大,工作频率高和速度快等特点,线性放大的动态范围大,在有较大的输出功率时也能有较高的线性增益。这里成功应用功率场效应晶体管设计出一种高压运算放大器。该放大器的制作成本低廉,输出线性可控,适用范围广。
1 功率MOS器件结构与分析
功率MOS场效应晶体管是在MOS集成电路工艺基础上发展起来的新一代电力开关器件,具有输入阻抗高,驱动电路简单,安全工作区宽等优点\。图1给出功率MOS晶体管的结构剖面图及其电学特性曲线。采用双扩散结构\制作适合用作功率器件的短沟道高压晶体管,需要短的重掺杂背栅和宽的轻掺杂漂移区。由于外延层厚度决定了漂移区的宽度,因此也决定了晶体管的工作电压,其漏源电压公式为\:
VDS=(RJEFT+RACC+RFP)IMOS+Vf(1)
式中:RJFET为结型场效应管电阻;RACC为N-层表面电子积累层电阻;RFP为外延层电阻;IMOS为反型沟道电流;Vf为沟道压降。
图1 功率MOS结构图及电学特性
2 电路设计
高压运算放大器电路主要由运算放大器和功率场效应晶体管组成\,其结构原理图如图2所示。
图2 高压运算放大器电路图
所设计的电路中使用价格低廉的运放LM358和NMOS功率管IRF630构成负反馈回路\,双极晶体管C8050和电阻R4实现过载保护\,防止流过IRF630的电流过大,整个电路为反比例放大电路,R2为反馈电阻,其输入和输出的关系式为:
Vout=-(VinR2)/R1(2)
3 实验结果及分析
根据图2制作试验电路板如图3所示。供应电压为60 V,R11.963 kΩ,R220 kΩ,放大倍数约为10.19。当输入电压为0～5 V时,先用EDA软件对电路进行模拟仿真,然后对电路板进行测量,并进行比较,结果如表1所示。
图3 实验电路板
表1 输出电压的模拟结果与测量结果V
输入电压值仿真输出测量输出输入电压值仿真输出测量输出
0- 0.18- 1.52.5 -25.51-26.4
0.1 - 1.05- 2.13.0 -30.60-31.6
0.5 - 5.13- 6.23.5 -35.69-36.7
1.0 -10.22-10.94.0 -40.79-41.8
1.5 -15.32-16.14.5 -45.88-47.5
2.0 -20.41-21.35.0 -50.98-52.8
由表1可画出输入/输出关系变化图形,如图4所示。从表1和图4中可以看出,模拟结果和测量结果存在误差,误差ε=-1.095,这是因为测量精度和器件自身精度的误差所引起的。当输入电压从0 V扫描到5 V时,得到等比例的放大输出电压,且呈线性变化,能够实现输入电压对输出电压的线性控制,具有很好的驱动能力。
图4 电路输入/输出变化图
根据以上分析,用PMOS功率管进一步改进电路,和用NMOS管构成一种推挽结构\的输出电路,可以满足输入正负电压的要求,如图5所示。若选用耐压350 V的NMOS功率管IRF713和耐压300 V的PMOS功率管IRF9631,以及晶体管Q1,Q2和电阻R4,R5构成过载保护电路,则选取R2=280 kΩ,R1=10 kΩ,对电路进行仿真,输入电压范围是-5～+5 V。当输入电压为负压时,PMOS管导通,NMOS管截止,输出为正电压;当输入电压为正压时,NMOS管导通,PMOS管截止,输出为负电压。输入/输出的线性关系如图6所示,电压输出为+140～-140 V,可实现高压的双极性线性等比例放大输出。
图5 改进的线性高压运算放大器
图6 输入/输出线性关系图
4 结 语
利用功率场效应晶体管的电学特性,并运用反馈运放的基本原理成功设计了高压运算放大器。实验结果和模拟结果验证了所设计的电路输出电压线性度高,能够对高压进行有效的线性控制。选择耐压高的功率管,可以实现更高电压的线性输出,达到高压驱动的要求,电路结构简单,制作成本低,可以满足不同领域的要求,且具有很高的实用价值。
参考文献
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摘 要：设计了一个基于ARM芯片的多路数据采集系统，可以实现对8路数据的采集，信号的采集方式可以是单路采集也可以是多路循环采集，控制信号可通过触摸屏或上位机控制输入，数据采集的结果以数字和图形的方式在液晶屏上实时显示。经软硬件综合调试，验证了方案的可行性。
关键词：数据采集； ARM； 液晶显示器； A/D转换； STM32
中图分类号：
0 引 言
随着物联网技术的发展与应用，A/D数据采集是其中一项重要的研究课题，A/D多路采集系统实现方案可以多种，通过对三种实现方案进行比较，最终采用STM32系列ARM芯片进行设计。STM32是基于ARM CortexM3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，并具有极高的性价比，目前正逐渐抢占了电子领域原有的51、AVR的市场。本设计中采用STM32F103RBT6作为主控制器[1]，该芯片配置丰富，便于今后的系统功能扩展。
1 方案比较与论证
为实现多路数据采集要求，提出如下三种设计方案：
（1） 基于单片机的数据采集系统[2-3]
本方案采用双单片机的方法，即在数据采集的远端、近端均采用单片机控制，远端完成数据的采集、抽样、发送；近端完成数据的接收、校验、处理和显示等，键盘控制数据显示。在近端与远端的通信中，采用RS 485差分方式接口，以提高通信速度与传输距离。该方案存在不足之处是：A/D接口和RS 485接口编程不方便，采集信号的频率范围和速率较低，实用性不大。
（2） 基于CPLD的数据采集系统[4]
采用CPLD对A/D芯片的采集控制，通过USB接口传输给上位机，优点是可以实现高的采集速率和采集精度，有着较大的实用性，但难点之处是CPLD对A/D模块的控制，及单片机对USB的配置。
（3） 基于ARM的数据采集系统
本方案主控器采用STM32系列的ARM芯片，方案如图1所示。
此方案中A/D转换器为ARM芯片内置，采集的方式、起始时间和持续时间由上位机通过RS 232口控制，数据通过USB接口传输至上位机保存。考虑到使用笔记本作为控制上位机时没有232接口，使用USB转232的电缆提供RS 232控制信息。
由于A/D芯片内置，芯片价格也便宜，电路设计较前面的简单，且ARM自带的A/D采集方式多样，并可以通过配置ARM芯片内相应的寄存器就可以实现，因此实现简便。考虑到后面的扩展需要和应用的广泛与实用性，本设计采用此方案。
2 系统设计原理[57]
该电路主要由电源模块， 主控器模块， 显示模块，SD卡模块，USB转232模块等几个部分组成。
（1） 主控制器
采用STM32F103RBT6作为MCU，其性价比很高，该芯片具有20 KB SRAM、128 KB FLASH、3个普通的16位定时器、1个16位的高级定时器、2个SPI、2个I2C、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、51个通用I/O口。因为主控器STM32是3.3 V供电的，所以需要将USB的5 V电压转换为3.3 V。这里采用电源线性稳压芯片AMS11173.3，将5 V转换为3.3 V。
（2） 液晶显示
电路中采用通用的LCD接口，支持8位或者16位总线或者SPI的液晶屏。该模块采用TFTLCD面板（薄膜晶体管液晶显示器），可以显示16位色的真彩图片，提高数据显示效果，同时也可以将采集数据以图形曲线的方式形象的表现出来。该模块有2.4′/2.8′两种大小的屏幕可选，320×240的分辨率，16位真彩显示，自带触摸屏。接口采用80并口与外部连接，采用16位数据线。
（3） JTAG
采用标准的JTAG接法，STM32的SWD接口与JTAG是共用的，只要接上JTAG，也可以使用SWD模式下载并调试代码，多数情况下使用SWD来下载调试代码，节省资源、而且下载速度也快。
（4） SD卡
利用SD卡，扩大容量存储设备，用来实时保存采集的数据，既可以弥补没有上位机的情况，也更方便于事后对大量的数据的分析与处理。
（5） A/D采集
STM32本身拥有1～3个ADC，这些ADC可以独立使用，也可以使用双重模式（提高采样率）。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。最大的转换速率为1 MHz，也就是转换时间为1 μs。
3 软硬件综合调试结果
编写数据采集、触摸屏控制、上位机控制程序和液晶显示模块程序主要几个模块，将程序下载并进行系统调试，最终效果如图3，图4所示。
系统可以通过触摸屏选择实现对8路数据的单路采集或多路循环采集模式，数据采集的结果可在液晶屏上显示，也可传输给上位机或保存在SD卡中。通过比较被测电压和数据采集到的电压值，测量精度符合设计要求。
4 结 语
本系统电路简单，成本低，并具有一定的可扩展性和实用性。ARM自带的A/D采集方式多样，可以通过配置ARM芯片内相应的寄存器就可以实现，因此实现简便。主控器STM32芯片是基于ARM CortexM3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，具有极高的性价比，在工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等多个领域具有广泛的应用前景，因此值得研究和推广。
参 考 文 献
[1]意法半导体.STM32中文参考手册[M].10版.上海：意法半导体（中国）投资有限公司，2010.
[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994—1999）[M].北京：北京理工大学出版社，1997.
[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[4]王振红，张斯伟.电子电路综合设计实例集萃[M].北京：化学工业出版社，2008.
[5]刘军.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.
[6]刘同法，肖志刚，彭继卫.ARM CortexM3内核微控制器快速入门与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[7]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[8]陈尚松.电子测量与仪器[M].北京：电子工业出版社，2005.
[关键词]单片机 数字电压表 电路设计 AT89C51芯片
中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0012-02
数字电压表，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
本次设计系统是以AT89C51单片机为核心，辅以简单的控制电路，设计了一种切换量程的数字电压表。系统中，模拟电压信号由A/D转换器TLC2543采集，以数字信号的方式传给单片机进行处理，并加以控制。控制系统包含硬件和软件两部分。硬件部分包括：单片机最小系统、电压采集电路、量程控制电路、电压显示电路以及其他一些接口电路。软件部分包括：主程序的流程设计，其涵盖了电压采集子程序、字符转换子程序、LCD液晶显示子程序等，这些子函数都体现出系统软件设计模块化的结构特点。通过单片机对信号处理并加以适当的算法控制，从而驱动相应的硬件电路，实现电压控制的目的。
系统硬件结构：
系统是以AT89C51单片机作为主控器，通过扩展必要的接口电路，包括电压采集、输入和输出、电压的量程控制、显示等电路，实现数字电压表的系统化设计。其系统结构框图如下图1所示：
本次设计主要由单片机模块、电压输入模块、A/D转换模块、量程控制模块、液晶显示模块等5部分组成。A/D模拟转换芯片将直流电压模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，写入单片机中。以AT89C51单片机为控制核心，通过A/D转换电路来将模拟信号转换成数字信号，通过电阻的改变来切换量程的改变，从而实现不同电压量程的切换。它的最高量程为200V，分三个档位量程，即2V，20V，200V，可以通过调档开关来实现各个档位。当测得电压的数值小于1V时，系统会自动的将电压数值转换为以mV为电压单位的电压值。并且通过按键的方法能够测得后五秒的平均电压值。
系统主程序的设计：
系统主程序的主要功能是负责电压采集、处理、显示三部分，本次设计主要包括以下方面：
1、按照硬件电路对单片机位定义。
2、编写延时模块子程序。
3、编写液晶显示器1602的初始化子程序。
4、编写驱动1602液晶显示模块程序。
5、编写驱动A/D转换模块程序。
6、编写A/D转换后对电压的处理函数子程序
7、编写键盘扫描模块程序。
其程序设计流程图2如下所示：
系统经过复位后，先对单片机、模/数（A/D）转换器、液晶显示屏LCD1602等进行初始化，初始化完成后通过输入电路给数字电压表输入模拟电压，在电压测量过程中，先通过滑动变阻器来控制输入信号的衰减率、通过按钮来选择不同的档位，然后调用A/D转换子函数，并对模/数转换的结果进行简单的处理，最后通过液晶屏LCD1602进行显示。
系统整体硬件电路图3如下（proteus环境）：
硬件设计注意事项：
整个系统的模拟地和数字地不要交叉共地，模拟地和数字地要分别独立开来，避免信号之间的干扰。同时液晶的读写要注意它们之间的时序，最好要弄清它的型号和用户手册中的提到的地址问题，再进行它与单片机之间的数据读写操作。不仅如此，器件之间的兼容性和工作最大电流和电压问题也是本次硬件设计的重点。
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I /O口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择合适的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。在本系统中，AT89C51单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需要，不需要系统扩展。按系统功能需求，需要配置档位转换、LCD显示等。系统的扩展和配置设计遵循下列原则：
1、尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法；
2、系统的扩展与设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便二次开发；
3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产上相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构，但由软件实现的硬件功能，其相应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间；
4、整个系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配；
5、可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择等；
6、该系统的所有元器件必须满足5V的工作电压。
参考文献
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