CMOS数字集成电路设计 9787111529330 机械工业出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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美查尔斯.霍金斯Charles Hawkins等 著

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• 电子工程
• 微电子学
• 电路设计
• 机械工业出版社

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111529330

商品编码：29425004212

包装：平装

出版时间：2016-04-01

基本信息

书名：CMOS数字集成电路设计

定价：69.00元

作者：(美)查尔斯.霍金斯(Charles Hawkins)等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-04-01

ISBN：9787111529330

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书中文简体字版由IET授权机械工业出版社出版。未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或抄袭本书内容。

本书涵盖了CMOS数字集成电路的设计技术，教材的编写采用新颖的讲述方法，并不要求学生已经学习过模拟电子学的知识，有利于教师灵活地安排教学计划。本书完全放弃了涉及双极型器件的内容，只关注数字集成电路的主流工艺——CMOS数字电路设计。书中引入大量的实例，每章后也给出了丰富的习题，使得学生能够将学到的知识与实际结合。本书可作为CMOS数字集成电路的本科教材。

目录

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目　　录

出版者的话

译者序

序

前言

章　基本逻辑门和电路原理1

　1.1　逻辑门和布尔代数1

　1.2　布尔和逻辑门化简3

　1.3　时序电路4

　1.4　电压和电流定律6

　　1.4.1　端口电阻的观察法分析6

　　1.4.2　基尔霍夫电压定律与观察法分析7

　　1.4.3　基尔霍夫电流定律与观察法分析9

　　1.4.4　基于观察法的分压器和分流器混合分析10

　1.5　电阻的功率消耗11

　1.6　电容13

　　1.6.1　电容器能量与功率14

　　1.6.2　电容分压器15

　1.7　电感16

　1.8　二极管非线性电路分析16

　1.9　关于功率19

　1.10　小结20

　习题20

第2章　半导体物理24

　2.1　材料基础24

　　2.1.1　金属、绝缘体和半导体24

　　2.1.2　半导体中的载流子：电子与空穴25

　　2.1.3　确定载流子浓度26

　2.2　本征半导体和非本征半导体27

　　2.2.1　n型半导体28

　　2.2.2　p型半导体29

　　2.2.3　n型与p型掺杂半导体中的载流子浓度30

　2.3　半导体中的载流子输运30

　　2.3.1　漂移电流31

　　2.3.2　扩散电流32

　2.4　pn结34

　2.5　pn结的偏置35

　　2.5.1　pn结正偏压36

　　2.5.2　pn结反偏压36

　2.6　二极管结电容37

　2.7　小结38

　参考文献38

　习题38

第3章　MOSFET40

　3.1　工作原理40

　　3.1.1　作为数字开关的MOSFET40

　　3.1.2　MOSFET的物理结构41

　　3.1.3　MOS晶体管工作原理：一种描述性方法42

　3.2　MOSFET输入特性44

　3.3　nMOS晶体管的输出特性与电路分析44

　3.4　pMOS晶体管的输出特性与电路分析49

　3.5　含有源极和漏极电阻的MOSFET53

　3.6　MOS晶体管的阈值电压54

　3.7　小结55

　参考文献56

　习题56

第4章　金属互连线性质60

　4.1　金属互连线电阻60

　　4.1.1　电阻和热效应62

　　4.1.2　薄膜电阻63

　　4.1.3　通孔电阻64

　4.2　电容67

　　4.2.1　平行板模型67

　　4.2.2　电容功率68

　4.3　电感69

　　4.3.1　电感电压69

　　4.3.2　导线电感70

　　4.3.3　电感功率70

　4.4　互连线RC模型71

　　4.4.1　短线的电容模型71

　　4.4.2　长线的电阻电容模型72

　4.5　小结74

　参考文献74

　习题74

第5章　CMOS反相器77

　5.1　CMOS反相器概述77

　5.2　电压转移曲线78

　5.3　噪声容限79

　5.4　对称电压转移曲线81

　5.5　电流转移曲线82

　5.6　VTC图形分析83

　　5.6.1　静态电压转移曲线83

　　5.6.2　动态电压转移曲线85

　5.7　反相器翻转速度模型86

　5.8　CMOS反相器功耗88

　　5.8.1　瞬态功耗88

　　5.8.2　短路功耗89

　　5.8.3　静态泄漏功耗91

　5.9　功耗与电源电压调整91

　5.10　调整反相器缓冲器尺寸以驱动大负载92

　5.11　小结94

　参考文献94

　习题94

第6章　CMOS“与非”门、“或非”门和传输门97

　6.1　“与非”门97

　　6.1.1　电路行为98

　　6.1.2　“与非”门的非控制逻辑状态98

　6.2　“与非”门晶体管尺寸调整100

　6.3　“或非”门102

　　6.3.1　电路行为102

　　6.3.2　“或非”门的非控制逻辑状态102

　6.4　“或非”门晶体管尺寸调整105

　6.5　通过门与CMOS传输门108

　　6.5.1　通过门108

　　6.5.2　CMOS传输门109

　　6.5.3　三态逻辑门110

　6.6　小结110

　习题111

第7章　CMOS电路设计风格115

　7.1　布尔代数到晶体管电路图的转换115

　7.2　德摩根电路的综合118

　7.3　动态CMOS逻辑门120

　　7.3.1　动态CMOS逻辑门的特性120

　　7.3.2　动态电路中的电荷共享121

　7.4　多米诺CMOS逻辑门123

　7.5　NORA CMOS逻辑门125

　7.6　通过晶体管逻辑门125

　7.7　CMOS传输门逻辑设计127

　7.8　功耗及活跃系数128

　7.9　小结132

　参考文献132

　习题132

第8章　时序逻辑门设计与时序137

　8.1　CMOS锁存器138

　　8.1.1　时钟控制的锁存器138

　　8.1.2　门控锁存器139

　8.2　边沿触发的存储元件140

　　8.2.1　D触发器140

　　8.2.2　时钟的逻辑状态141

　　8.2.3　一种三态D触发器设计141

　8.3　边沿触发器的时序规则142

　　8.3.1　时序测量143

　　8.3.2　违反时序规则的影响144

　8.4　D触发器在集成电路中的应用145

　8.5　带延时元件的tsu和thold145

　8.6　包含置位和复位的边沿触发器147

　8.7　时钟生成电路148

　8.8　金属互连线寄生效应151

　8.9　时钟漂移和抖动151

　8.10　芯片设计中的整体系统时序152

　　8.10.1　时钟周期约束152

　　8.10.2　时钟周期约束与漂移153

　　8.10.3　保持时间约束153

　　8.10.4　考虑漂移和抖动的时钟周期约束154

　8.11　时序与环境噪声156

　8.12　小结157

　参考文献157

　习题158

第9章　IC存储器电路163

　9.1　存储器电路结构164

　9.2　存储器单元165

　9.3　存储器译码器166

　　9.3.1　行译码器166

　　9.3.2　列译码器167

　9.4　读操作168

　9.5　读操作的晶体管宽长比调整169

　9.6　存储器写操作170

　　9.6.1　单元写操作170

　　9.6.2　锁存器转移曲线170

　9.7　写操作的晶体管宽长比调整171

　9.8　列写电路173

　9.9　读操作与灵敏放大器174

　9.10　动态存储器177

　　9.10.1　3晶体管DRAM单元177

　　9.10.2　1晶体管DRAM单元178

　9.11　小结179

　参考文献179

　习题179

0章　PLA、CPLD与FPGA181

　10.1　一种简单的可编程电路——PLA181

　　10.1.1　可编程逻辑门182

　　10.1.2　“与”/“或”门阵列183

　10.2　下一步：实现时序电路——CPLD184

　　10.2.1　引入时序模块——CPLD184

　　10.2.2　更先进的CPLD186

　10.3　先进的可编程逻辑电路——FPGA190

　　10.3.1　Actel ACT FPGA191

　　10.3.2　Xilinx Spartan FPGA192

　　10.3.3　Altera Cyclone Ⅲ FPGA194

　　10.3.4　如今的FPGA196

　　10.3.5　利用FPGA工作——设计工具196

　10.4　理解编程写入技术196

　　10.4.1　反熔丝技术196

　　10.4.2　EEPROM技术198

　　10.4.3　静态RAM开关技术199

　参考文献199

1章　CMOS电路版图200

　11.1　版图和设计规则200

　11.2　版图设计方法：布尔方程、晶体管原理图和棒图201

　11.3　利用PowerPoint进行电路版图布局202

　11.4　设计规则和小间距203

　11.5　CMOS反相器的版图布局204

　　11.5.1　pMOS晶体管的版图204

　　11.5.2　重温pMOS晶体管版图的设计规则205

　　11.5.3　nMOS晶体管版图205

　　11.5.4　将晶体管合并到共同的多晶硅栅下206

　11.6　根据设计规则小间距绘制完整的CMOS反相器207

　11.7　多输入逻辑门的版图207

　11.8　合并逻辑门标准单元版图209

　11.9　更多关于版图的内容210

　11.10　版图CAD工具211

　11.11　小结211

2章　芯片是如何制作的212

　12.1　集成电路制造概览212

　12.2　硅晶圆片的制备213

　12.3　生产线的前端和后端213

　12.4　生产线前端工艺技术214

　　12.4.1　硅的氧化214

　　12.4.2　光刻214

　　12.4.3　蚀刻216

　　12.4.4　沉积和离子注入216

　12.5　清洁和安全性操作217

　12.6　晶体管的制造218

　12.7　生产线后端工艺技术218

　　12.7.1　溅射工艺219

　　12.7.2　双金属镶嵌法（大马士革工艺）219

　　12.7.3　层间电介质及终钝化220

　12.8　CMOS反相器的制造220

　　12.8.1　前端工艺操作220

　　12.8.2　后端工艺操作221

　12.9　芯片封装221

　12.10　集成电路测试222

　12.11　小结222

　参考文献222

章末偶数编号习题参考答案223

索引228

作者介绍

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文摘

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序言

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晶体管的微观世界：探索半导体器件的物理奥秘与精巧设计 在现代电子技术飞速发展的浪潮中，芯片作为信息时代的基石，其微观世界的探索从未停止。从智能手机到超级计算机，从车载导航到航天探测，无处不闪耀着半导体器件的光芒。而在这璀璨光芒的背后，是晶体管这一微小却力量无穷的开关所构建起的复杂电子世界。本书将带领读者深入探索晶体管的物理本质，揭示其工作的基本原理，并在此基础上，展现如何将这些微观的“开关”巧妙地组织起来，设计出满足我们各种需求的复杂数字集成电路。 第一部分：电子世界的基石——半导体材料的物理特性 要理解晶体管，首先需要了解构成它的核心材料——半导体。本书将从基础的固体物理学出发，深入剖析半导体材料的独特性质。我们将详细介绍半导体中载流子的概念，包括电子和空穴，以及它们如何在电场作用下移动，从而导电。 能带理论的启蒙： 深入浅出地讲解半导体中的能带结构，包括价带、导带和禁带。理解能带结构是理解半导体电学性质的关键，它解释了为什么某些材料是导体，某些是绝缘体，而半导体则介于两者之间，并且其导电性可以通过掺杂等方式进行调控。 掺杂的魔力： 详细阐述掺杂（doping）技术，即在纯净的半导体材料中引入微量的杂质原子，如何改变其导电类型。我们将区分N型半导体（通过引入施主杂质，使电子成为多数载流子）和P型半导体（通过引入受主杂质，使空穴成为多数载流子）。掺杂是设计和制造晶体管的基石，它赋予了半导体器件可控的导电能力。 PN结的形成与特性： 重点讲解PN结的形成过程，以及在不同偏压下的行为。当P型半导体和N型半导体结合时，会在界面形成一个耗尽层，产生内建电场。我们将详细分析正向偏压（导通）、反向偏压（截止）和零偏压下的PN结特性，这为理解二极管和晶体管的工作原理奠定了基础。 载流子输运机制： 探讨在电场作用下，半导体中的载流子是如何运动的。我们将介绍漂移（drift）和扩散（diffusion）这两种主要的载流子输运机制，并分析它们在不同情况下的贡献。这对于理解电流的产生和流动至关重要。 第二部分：微观开关的奥秘——晶体管的结构与工作原理 晶体管，尤其是MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），是现代数字集成电路中最基本的构建单元。它们如同微小的电子开关，能够根据输入的电信号来控制电流的通断。本书将深入剖析MOSFET的结构，并详细阐述其工作原理。 MOSFET的结构解析： 详细介绍MOSFET的基本结构，包括源极（Source）、漏极（Drain）、栅极（Gate）和衬底（Substrate）。我们将展示不同类型的MOSFET，如NMOS和PMOS，以及它们的结构差异。 沟道形成与控制： 核心是理解MOSFET的“场效应”是如何工作的。我们将详细解释栅极电压如何改变氧化层下方半导体区域的载流子浓度，从而形成导电的沟道。我们将区分耗尽型MOSFET和增强型MOSFET，并解释它们在沟道形成上的区别。 工作区域的划分： 深入分析MOSFET在不同偏置条件下的三种工作区域：截止区（Cutoff Region）、线性区（Linear Region，也称为欧姆区）和饱和区（Saturation Region）。我们将详细推导各区域的电流-电压关系，并分析MOSFET在这三个区域下的等效电路模型。理解这些工作区域是设计各种电子电路的基础。 亚阈值区和漏电： 探讨MOSFET在栅极电压低于阈值电压时的亚阈值传导现象，以及各种漏电机制（如表面漏电、隧道效应等）。这些对于低功耗设计和器件的可靠性分析至关重要。 晶体管的工艺制造简介： 简要介绍MOSFET的制造流程，包括氧化、光刻、掺杂、离子注入、金属化等关键工艺步骤。虽然本书不专注于制造工艺，但了解其基本流程有助于理解器件的物理限制和设计约束。 第三部分：构建数字世界的基石——MOSFET在数字逻辑中的应用 一旦我们深入理解了MOSFET的物理特性和工作原理，就可以开始探索它们如何在数字逻辑电路中发挥作用。MOSFET最主要的用途就是作为构建逻辑门的基础，而逻辑门则是所有数字系统中最基本的逻辑单元。 CMOS技术的核心： 重点介绍CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术，即互补金属氧化物半导体。CMOS技术利用NMOS和PMOS晶体管互补的特性，构建出低功耗、高性能的数字电路。我们将解释CMOS电路的低静态功耗原理。 基本逻辑门的实现： 详细展示如何使用MOSFET构建基本的数字逻辑门，包括NOT门（反相器）、NAND门（与非门）和NOR门（或非门）。我们将分析这些门的输入输出逻辑关系，以及它们在CMOS结构下的实现方式。 组合逻辑电路的设计： 基于基本逻辑门，我们将介绍如何设计更复杂的组合逻辑电路，如AND门、OR门、XOR门、XNOR门等。我们将讲解卡诺图（Karnaugh Map）和布尔代数化简等逻辑设计方法，以及如何将逻辑表达式转化为MOS电路。 时序逻辑电路的基础： 引入时序逻辑电路的概念，并介绍如何利用MOSFET构建触发器（Flip-Flops）和锁存器（Latches），这些是构建存储器和状态机的基本单元。我们将讲解SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器等。 传输门（Transmission Gate）的妙用： 介绍传输门的概念及其在CMOS设计中的重要作用。传输门可以看作是一个可控的开关，能够高效地传递信号，在某些复杂的逻辑设计中表现出优越性。 门延迟与时序分析简介： 简要介绍逻辑门的时序特性，如门延迟（Gate Delay）和上升/下降时间。理解这些参数对于分析和优化电路的运行速度至关重要。 第四部分：集成电路设计的挑战与策略 将数百万甚至数十亿个晶体管集成到一块小小的芯片上，是一个极其复杂的工程。本书将在前一部分的基础上，进一步探讨集成电路设计中的关键挑战和常用策略。 互连线的重要性： 讨论集成电路中互连线（Interconnects）在信号传输、功耗和时序方面的影响。随着集成度的提高，互连线的效应变得越来越显著，需要特殊的处理。 功耗分析与优化： 深入探讨数字集成电路中的功耗来源，包括动态功耗（开关功耗）和静态功耗（漏电功耗）。我们将介绍各种降低功耗的设计技术，如时钟门控、电压频率调节（DVFS）和低功耗设计风格。 时序约束与时钟网络： 讲解时序约束（Timing Constraints）在数字设计中的重要性，以及如何设计高效的时钟网络（Clock Network）来保证所有时序路径都能在规定时间内完成。 物理设计基础： 简要介绍物理设计的基本概念，包括布局（Placement）、布线（Routing）和时序收敛（Timing Convergence）。这些是将逻辑设计转化为可制造芯片的关键步骤。 验证的重要性： 强调验证（Verification）在集成电路设计流程中的不可或缺性。我们将介绍功能验证、形式验证和性能验证等不同类型的验证方法，以确保设计的正确性和可靠性。 EDA工具的简介： 简要提及电子设计自动化（EDA）工具在现代集成电路设计中的作用，例如逻辑综合工具、布局布线工具和仿真器等，它们极大地提高了设计的效率和准确性。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，从半导体材料的物理基础出发，逐步深入到晶体管的工作原理，再到如何利用这些微观的开关构建复杂的数字逻辑电路。通过对本书的学习，读者将能够更深刻地理解现代电子设备背后所蕴含的精妙设计，为进一步探索更高级的集成电路设计领域打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

当初选择《CMOS数字集成电路设计》这本书，很大程度上是受到了其中关于版图设计部分的介绍吸引。在数字集成电路的整个流程中，版图设计往往是隐藏在代码和逻辑之后的“幕后英雄”，但它的重要性不言而喻，直接关系到芯片的性能、功耗和可靠性。我一直对如何将逻辑电路转化为物理版图的过程感到好奇，尤其是对于一些关键模块，比如时钟树、全局信号线以及一些对噪声敏感的模拟模块，它们的版图布局和布线策略至关重要。我希望书中能详细阐述版图设计的流程，包括标准单元的布局、互连线的布线规则、信号完整性（SI）和电源完整性（PI）的考量。对于工艺制程的演进，特别是纳米级别工艺下，版图设计面临的挑战，例如漏电、串扰、寄生效应等等，书中是否有深入的分析和应对策略？我非常希望能够学习到一些关于版图优化技巧，比如如何通过合理的布局和布线来降低RC延迟，如何处理金属层的拥塞问题，以及如何进行版图后仿真（Post-Layout Simulation）来验证设计的性能。此外，对于一些特殊的版图技术，比如遮蔽（Shielding）、间距（Spacing）的规则，以及如何进行DRC（Design Rule Checking）和LVS（Layout Versus Schematic）等验证，我也期望书中能有详尽的介绍，帮助我构建扎实的版图设计基础。

评分☆☆☆☆☆

当我翻开《CMOS数字集成电路设计》这本书时，我最先留意到的是它对可制造性设计（DFM）的提及。在集成电路设计领域，我们常常会投入大量精力在逻辑功能和性能的优化上，但往往忽略了最终芯片能否顺利地在晶圆厂制造出来。可制造性设计，顾名思义，就是从设计阶段就开始考虑生产过程中的各种限制和挑战，以确保设计能够以高良率、低成本地生产出来。我希望这本书能在这方面提供一些更具实践意义的指导。例如，在版图设计中，有哪些具体的规则和约束是必须遵守的，以避免制造过程中的缺陷？如何理解和应用层间金属间距、金属线宽度、通孔尺寸等工艺规则？书中是否会讲解一些常见的制造缺陷，以及如何在设计中规避它们？我还特别关注书中对良率（Yield）的讨论，如何通过设计手段来提高良率？例如，对于一些关键的信号线，是否可以采用更粗的线宽或者增加冗余的互连？对于一些易受制造偏差影响的电路，是否有特殊的版图设计技巧？我期待这本书能够提供一些关于DFM工具的使用介绍，以及如何将DFM的理念融入到日常的设计流程中。毕竟，一个设计得再好，如果无法实现，那也只是纸上谈兵。

评分☆☆☆☆☆

在我拿到《CMOS数字集成电路设计》这本书之前，我一直对数字信号处理（DSP）在集成电路中的应用充满兴趣，但苦于找不到一本能够系统性地将两者结合起来讲解的书籍。DSP算法的实现往往需要大量的乘法、加法等运算，如何将这些算法高效、低功耗地映射到CMOS电路中，是DSP芯片设计的核心挑战。我希望这本书能够在这方面有所突破。比如，书中是否会详细介绍一些常见的DSP算法，例如FFT（快速傅里叶变换）、FIR（有限冲击响应）滤波器、IIR（无限冲击响应）滤波器等的硬件实现结构？如何利用并行处理、流水线技术来提高DSP处理器的吞吐量？在资源受限的嵌入式系统中，如何设计出高效的DSP IP核，以满足性能和功耗的要求？我尤其关注书中关于量化（Quantization）和噪声（Noise）的处理，这对于数字信号的精度至关重要。书中是否会讲解如何选择合适的量化位数，以及如何通过电路设计来减小量化噪声和量化误差？此外，对于一些特定领域的DSP应用，例如图像处理、音频处理或者通信信号处理，书中是否能提供一些具体的案例分析，展示如何将DSP算法转化为实际的CMOS电路设计？我希望这本书能够帮助我打通DSP理论与CMOS硬件实现的鸿沟，为我从事相关领域的设计工作打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我对《CMOS数字集成电路设计》的期望更多是基于它在集成电路设计领域的经典地位。我之前接触过一些CMOS相关的书籍，但总觉得在某些方面不够深入，尤其是在验证方法学这一块，总感觉还是隔靴搔痒。我希望这本书能够在这方面给我带来一些启发。比如，在数字集成电路的验证流程中，如何构建高效且完备的测试平台？如何有效地进行形式验证、仿真验证以及物理验证？对于一些复杂的IP核，如何设计出能够覆盖各种边界条件和异常情况的测试用例？我特别想了解一些关于覆盖率分析的策略，比如代码覆盖率、断言覆盖率、功能覆盖率等等，以及如何通过这些指标来评估验证的充分性。另外，在STA（静态时序分析）方面，我也希望这本书能有更详尽的讲解。理解时序约束的正确设置，掌握建立时间和保持时间违例的分析与修复方法，对于确保设计的时序性能至关重要。特别是在高频设计的场景下，时序问题的处理往往是设计的瓶颈。这本书能否提供一些关于多时钟域交互、异步FIFO设计以及时钟树综合（CTS）的深入探讨，是我非常关注的。我希望它不仅仅是简单地罗列概念，而是能结合实际设计中的难点，提供切实可行的解决方案和经验分享。

评分☆☆☆☆☆

拿到《CMOS数字集成电路设计》这本书，我其实是带着点儿学习和期待的心情来的。这本书的装帧设计很扎实，纸张的质感也让人觉得舒服，这一点对于长时间阅读来说是个加分项。我原本希望能在这本书中找到一些关于低功耗设计的新颖思路，毕竟在当前的电子产品领域，功耗永远是绕不开的话题。特别是在移动设备和物联网设备日益普及的今天，如何最大程度地延长电池续航，是每一个设计者都需要深思熟虑的问题。我期待书中能有一些关于动态功耗和静态功耗的深入剖析，比如如何通过电路结构优化、时钟门控技术、电源门控技术等手段来有效降低功耗。同时，我也希望能够看到一些实际的设计案例，能够直观地展示这些技术在实际项目中的应用效果，例如在某个特定的IP核设计中，通过采用某种低功耗技术，可以节省多少功耗，带来怎样的性能提升。此外，对于一些前沿的低功耗技术，比如自适应体偏置（Adaptive Body Biasing）或者低功耗 SRAM 的设计，我也很想有所了解，看看它们在实际设计中是如何实现的，以及可能面临哪些挑战。这本书的篇幅看起来不小，我希望它能提供足够丰富的信息，让我对CMOS数字集成电路的低功耗设计有一个更全面、更深入的认识，而不仅仅是停留在理论层面。