讲述专用集成电路基本电路及其特性分析

专用集成电路

60年代开始出现了集成电路。由于当时工艺水平的限制，问世的都是小规模集成电路（SSI）的标准通用产品，例如门电路、触发器等。随着工艺的进步，逐步发展了中规模集成电路（MSI），但也是些标准通用性产品，例如计数器、移位寄存器等。

70年代开始发展大规模集成电路（LSI），专用性程度比较大，由于电路品种多，每种产品需求量少，而导致成本高，这是因为分派到每个产品的设计成本高。

解决这一矛盾的一条出路是发展微处理器。它本身可以作为通用片，通过改变预定的执行程序，以适应不同用户的要求。微处理器一般采用全定制方法进行逻辑、电路和版图的设计。虽然它的设计费用较高，但因为量多面广，经济上还是合算的。但微处理机只能按规定程序一步步执行数据处理，速度较慢，不能进行高速实时数据处理。在很多应用场合下，高速实时数据处理是十分迫切需要的。它既可以加快速度，又能节省硅片面积。

专用集成电路（ASIC）设计技术的研究就是基于上述指导思想提出来的。前面已说明，用传统的全定制方法很费时、费钱，因为它要求细至每一个管子、每一条连线。这样的设计只好基于手工设计方法。

半定制电路设计技术的开发成功促进了专用电路设计技术的革新，它使设计时间大大缩短，工作量大大减少。主要的措施是使设计与低级设计相隔离。预先把一些基本电路、如门级或其他功能级电路和版图设计好，并以此作为设计的起点。设计者不再涉及一个个器件，而只要把这些基本电路进行合理的布局和相互连线就可以了。这种方法减少了设计工作量，但损失了设计灵活性和硅片利用率。

目前已开发出的半定制设计方法有门阵列、标准单元和程序逻辑器件等。它们的共同之点在于低级的设计均已预先做好，设计ASIC的起点级别提高。下面将分别详细介绍各种半定制电路的设计方法，在此先简要说明它们的基本原理。

门阵列是工艺预制好相同门电路单元的阵列，然后通过一层或两层金属布线完成ASIC电路的定制。

标准单元法是把一些设计好的SSI和MSI存放在一个数据库内。在电路设计时，把所用的单元电路取出来进行合理的布局和布线。

程序逻辑器件是以设计好的只读存储器为基础，根据用户的需要进行布码或编程。它们中有可编逻辑阵列（PLA）、可编阵列逻辑（PAL）和可编程只读存储器（PROM）等，统称为PLD。

半定制电路设计技术能应用的关键因素之一是计算机辅助设计（CAD）工具的日益完善和可应用性。它的作用是双重的：一方面实现了设计的半自动化，简化和加快设计周期，并且可以把设计工作中的大部分交给用户自己去做，与应用密切相结合；另一方面可以对设计结果进行各方面的验证，以确保设计结果不出错误，避免人力、物力的浪费，缩短产品研制的周期。此外，应用CAD工具进行逻辑模拟可以得到对样品进行测试的测试矢量，这样，CAD与计算机辅助测试（CAT）结合品起来，对产测试和设计正确性的验证起着重要的作用。

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