集成电路设计——仿真、版图、综合、验证及实践

本书系统阐述了模拟集成电路和数字集成电路的设计技术，介绍基于SPICE仿真器的主流集成电路仿真方法，讨论集成电路的版图设计与验证技术，阐述ASIC及SoC设计方法学及集成电路EDA工具流程，并详细说明HDL描述、仿真、逻辑综合、形式验证、布局布线、时序分析、物理验证等设计技术。同时，书中提供了丰富的模拟集成电路与数字集成电路设计实例，系统讲述了模拟集成电路和数字集成电路的EDA工具及仿真、分析与设计技术。书中的很多设计实例都出自实际工程项目，具有很好的借鉴意义。

教学资源

1. 教学课件
2. 教学大纲
3. 设计资源

注：教学资源可到清华大学出版社网站本书页面（或“人工智能科学与技术”微信公众号）下载。

 

 

本书侧重于集成电路EDA使用技术及设计技术的总体阐述。本书全面介绍国际主流EDA工具的使用,系统阐述模拟集成电路和数字集成电路的EDA工具流程及设计技术。本书介绍SPICE仿真基础,包括基于HSPICE和SPECTRE两大SPICE仿真器的集成电路仿真方法; 讨论集成电路的版图设计与验证工具的使用方法以及版图相关的设计技术。本书详细阐述ASIC以及SoC等先进的集成电路设计方法以及数字集成电路的EDA 工具流程,分别说明HDL描述及仿真、逻辑综合、布局布线、形式验证、时序分析、物理验证等设计技术以及EDA 工具使用方法。同时,结合实践,本书分别针对模拟集成电路实例以及数字集成电路实例,系统地讲述模拟集成电路和数字集成电路的EDA工具使用以及仿真、分析和设计技术。

本书可作为高等院校电子信息类、微电子及集成电路专业本科生和研究生教材,也可作为相关领域工程师的参考用书。

王永生哈尔滨工业大学微电子学与固体电子学博士，哈尔滨工业大学航天学院副教授。长期从事数/模混合信号集成电路、系统芯片及其可测试性、可靠性设计领域的教学及科研工作。开发了多款高速及高精度模/数转换芯片及混合信号SoC芯片。先后主持和参与10余项国家级与省部级科研项目，承担了SoC/IP行业和国家标准制定等相关工作。获得授权发明专利10余项，在模/数转换器设计、混合信号SoC设计等集成电路领域发表学术论文50余篇，出版相关专业图书5部。

付方发哈尔滨工业大学微电子学与固体电子学博士，哈尔滨工业大学航天学院讲师、硕士研究生导师。主要研究方向为SoC/IP设计方法学、片上网络（NoC）、多核体系结构等。作为负责人承担国家自然科学基金青年基金项目、哈尔滨市人才基金项目等，作为主要参加人完成核高基项目及总装预研项目。先后发表学术论文30余篇，获得授权发明专利10余项。

桑胜田哈尔滨工业大学微电子学与固体电子学博士，哈尔滨工业大学航天学院讲师。主要研究方向为SoC设计方法学、嵌入式系统设计、物联网系统设计等。先后主持和参与多项国家级和企业横向科研项目，并承担多项省部级教学研究项目。长期从事SoC、嵌入式系统教学，发表相关学术论文10余篇，获得授权发明专利多项。

第1章绪论

1.1模拟电路与数字电路

1.2电路抽象层次

1.3集成电路分析与设计

1.4集成电路设计自动化技术的发展

1.5集成电路设计方法

1.5.1全定制设计方法

1.5.2门阵列设计方法

1.5.3标准单元设计方法

1.5.4宏模块设计方法

1.5.5可编程逻辑器件方法

1.5.6SoC设计方法

1.6本章小结

第2章SPICE仿真基础

2.1SPICE描述基本组成

2.2SPICE电路描述

2.2.1通用元器件描述

2.2.2电压源和电流源描述

2.2.3半导体器件描述

2.2.4子电路描述

2.2.5参数描述

2.2.6电路包含描述

2.3SPICE分析语句

2.3.1直流工作点分析

2.3.2直流扫描分析

2.3.3交流小信号分析

2.3.4瞬态分析

2.3.5零极点分析

2.3.6噪声分析

2.3.7传递函数分析

2.3.8灵敏度分析

2.3.9傅里叶分析

2.4SPICE控制选项

2.4.1控制参数选项

2.4.2初始化条件

2.4.3输出控制

2.5本章小结

第3章基于HSPICE的集成电路仿真

3.1流程及规则简介

3.2HSPICE工具的使用

3.3HSPICE基本电路分析

3.3.1直流仿真分析

3.3.2交流仿真分析

3.3.3瞬态仿真分析

3.4HSPICE电路分析进阶

3.4.1噪声仿真分析

3.4.2零极点仿真分析

3.4.3传递函数仿真分析

3.4.4灵敏度仿真分析

3.4.5参数扫描仿真分析

3.4.6工艺角仿真分析

3.5本章小结

第4章基于SPECTRE的集成电路仿真

4.1SPECTRE工具的使用

4.2SPECTRE基本电路分析

4.2.1直流仿真分析

4.2.2交流仿真分析

4.2.3瞬态仿真分析

4.3SPECTRE电路分析进阶

4.3.1噪声仿真分析

4.3.2零极点仿真分析

4.3.3传递函数仿真分析

4.3.4灵敏度仿真分析

4.3.5参数扫描仿真分析

4.3.6工艺角仿真分析

4.3.7蒙特卡洛仿真分析

4.4本章小结

第5章版图设计

5.1版图概述

5.2版图设计技术

5.2.1MOS晶体管

5.2.2对称性

5.2.3无源器件

5.2.4连线

5.2.5噪声及干扰

5.3版图设计工具的使用

5.4基本版图设计

5.5版图设计文件导出

5.6本章小结

第6章版图验证

6.1设计规则检查

6.2版图电路图一致性检查

6.3版图寄生参数提取

6.3.1PEX基本设置

6.3.2SPICE网表格式

6.3.3映射电路图

6.4版图后仿真

6.4.1采用SPICE网表描述的后仿真

6.4.2映射为电路图的后仿真

6.5本章小结

第7章模拟集成电路设计实例

7.1放大器的电路设计与仿真分析

7.1.1放大器电路

7.1.2放大器电路的基本仿真

7.1.3放大器电路的测量仿真技术

7.2放大器的版图设计与验证

7.2.1版图设计

7.2.2版图验证

7.2.3版图后仿真

7.3本章小结

第8章HDL描述及仿真

8.1可综合Verilog HDL

8.2Testbench验证平台

8.3VCS仿真工具

8.4Verdi调试工具

8.5前仿真

8.6后仿真

8.7本章小结

第9章逻辑综合

9.1DC综合工具简介

9.1.1用户启动文件与工艺库设置

9.1.2设计对象

9.1.3变量、属性与寻找设计对象

9.1.4编译器指示语句

9.2设计入口

9.2.1软件启动

9.2.2设计读入

9.2.3链接

9.2.4实例唯一化

9.3设计环境

9.3.1设置电路的工作条件

9.3.2设置连线负载

9.3.3设置输出负载

9.3.4设置输入驱动

9.4设计约束

9.4.1时序电路的延时约束

9.4.2组合电路的延时约束

9.4.3设计的面积约束

9.5设计的综合与结果报告

9.5.1设计综合

9.5.2设计结果报告

9.6设计保存与时序文件导出

9.7综合脚本实例

9.8本章小结

第10章布局布线

10.1布局布线基本流程

10.2布局布线工具的启动与关闭

10.3数据准备

10.4数据导入

10.5布局规划

10.6电源规划

10.7标准单元放置

10.8时钟树综合

10.9布线

10.10Filler填充

10.11设计规则检查

10.12数据导出

10.13本章小结

第11章数字集成电路的验证

11.1形式验证

11.2静态时序验证

11.3物理验证

11.4本章小结

第12章数字集成电路设计实例——基于RISCV的小型SoC项目

12.1芯片功能和结构简介

12.2项目文件目录结构

12.3模块的RTL设计与仿真验证

12.4SoC设计

12.5SoC仿真验证

12.6软件测试程序设计

12.7基于FPGA的系统验证

12.8逻辑综合

12.9版图布局布线

12.10验证

12.11本章小结

第13章混合信号集成电路仿真

13.1混合信号仿真验证平台

13.2数模混合设计及仿真验证流程

13.3数模混合信号仿真验证实施方式

13.4混合信号仿真实例

13.5本章小结

参考文献

附录A主流EDA厂商及其产品

伴随着我国集成电路产业的升级，集成电路人才的作用愈发凸显，当前我国集成电路人才缺口较大，对于具有实践能力的集成电路设计人员的需要越发迫切。本书为了适应这种需求，侧重于集成电路EDA工具使用以及设计技术的阐述，使读者可以系统地掌握相关EDA技术进行模拟、数字以及混合信号集成电路分析和设计，为读者从事集成电路设计工作打下基础。

为了适应当前集成电路设计教学以及实践的需要，本书以集成电路EDA工具和集成电路设计实践技术为主线，循序渐进、深入浅出地介绍模拟集成电路和数字集成电路的主流EDA工具，并且结合实践，辅以模拟、数字以及混合信号集成电路实例，讲授集成电路相关的仿真、分析及设计技术。全书共13章： 第1章为绪论，主要内容包括模拟电路与数字电路、电路抽象层次、集成电路分析与设计、集成电路设计自动化技术的发展以及集成电路设计方法； 第2章为SPICE仿真基础，主要内容包括SPICE描述基本组成、SPICE电路描述、SPICE分析语句以及SPICE控制选项； 第3章为基于HSPICE的集成电路仿真，主要内容包括流程及规则简介、HSPICE工具的使用、HSPICE基本电路分析及进阶； 第4章为基于SPECTRE的集成电路仿真，主要内容包括SPECTRE工具的使用以及SPECTRE基本电路分析及进阶； 第5章为版图设计，主要内容包括版图概述、版图设计技术、版图设计工具的使用、基本版图设计以及版图设计文件导出； 第6章为版图验证，主要内容包括设计规则检查、版图电路图一致性检查、版图寄生参数提取以及版图后仿真； 第7章为模拟集成电路设计实例，主要内容包括放大器的电路设计与仿真分析、放大器的版图设计与验证； 第8章为HDL描述及仿真，主要内容包括可综合Verilog HDL、Testbench验证平台、VCS仿真工具、Verdi调试工具、前仿真以及后仿真； 第9章为逻辑综合，主要内容包括DC综合工具简介、设计入口、设计环境、设计约束、设计的综合与结果报告、设计保存与时序文件导出、综合脚本实例； 第10章为布局布线，主要内容包括布局布线基本流程及使用EDA工具进行布局布线的方法和步骤； 第11章为数字集成电路的验证，主要内容包括形式验证、静态时序验证和物理验证； 第12章为数字集成电路设计实例，以一个基于RISCV的小型SoC项目为例展示数字集成电路的设计、仿真、逻辑综合、布局布线以及验证方法； 第13章为混合信号集成电路仿真，主要内容包括混合信号仿真验证平台、数模混合设计及仿真验证流程、数模混合信号仿真验证实施方式，并且通过一个Flash ADC实例介绍混合信号的仿真方法。

本书主要由哈尔滨工业大学王永生、付方发和桑胜田编著。其中，第1~7章以及第13章由王永生编著，第8~11章由付方发编著，第12章由桑胜田编著。哈尔滨工业大学伍忆、刘伟等也参与了本书部分内容的编著工作。

由于编者水平有限，书中难免存在疏漏，恳请广大读者批评指正。

编者

2023年11月

傅雄军  北京理工大学教授

目前，国内尚缺乏模拟集成电路与数字集成电路设计方面较为全面的图书，本书就是为了满足这一需求编著而成的。全书系统论述了集成电路设计技术及EDA工具应用方法，可以帮助读者掌握模拟集成电路、数字集成电路的设计方法及主流EDA工具，并培养开展集成电路设计的初步能力，是一本非常优秀的参考书。

喻明艳杭州电子科技大学教授

当前，集成电路产业迫切需要具有实践能力的人才。本书以集成电路EDA工具及集成电路设计实践技术为主线，全面介绍模拟集成电路与数字集成电路的主流设计方法。除了介绍设计理论与方法，书中还提供了丰富的设计实例，讲解集成电路的仿真、分析及设计技术。此外，本书还给出了一些工程实例，尤其是基于RISC-V处理器的数字SoC实例，真实展示了实际的芯片设计项目，极具借鉴意义。全书内容由浅入深，循序渐进，对于初学者及经验丰富的设计人员都具有参考价值。

王进祥哈尔滨工业大学教授

我国集成电路产业的发展对集成电路设计的人才需求越来越大。本书针对常规模拟集成电路与数字集成电路设计流程，详细描述了各设计阶段的典型实践方法及常用的EDA工具。书中通过实例，深入浅出地描述了借助EDA工具完成具体集成电路设计的过程。本书论述的知识包含了完整的集成电路设计流程，是一本优秀的科研和教学参考书。

赵承心中国科学院近代物理研究所研究员

如何提高学生的实践动手能力，培养满足集成电路行业需求的人才，是当前集成电路行业人才培养面临的困境。本书结合作者丰富的集成电路设计经验，全面介绍了当前集成电路设计的实践方法，给出了详细的EDA工具使用方法和具有重要实践价值的项目案例。本书着重培养学生的实践能力，提供了完善的实践知识和与行业接轨的EDA工具使用方法，有利于推动集成电路人才培养。