物联网之芯：传感器件与通信芯片设计

　　本书为“物联网工程实战丛书”第2卷。书中从物联网工程的实际需求出发，阐述了传感器件与通信芯片的设计理念，从设计源头告诉读者我要设计什么样的芯片。集成电路设计是一门专业的技术，其设计方法和流程有专门著作介绍，不在本书讲述范围之内。 本书适合作为高等院校物联网工程、通信工程、网络工程、电子信息工程、微电子和集成电路等相关专业的教材，也适合传感器和芯片研发人员阅读，另外也适合作为智慧城市建设等政府管理部门相关人员的参考读物。

　　曾凡太，山东大学信息科学与工程学院高级工程师。已经出版“EDA工程丛书”（共5卷，清华大学出版社出版）、《现代电子设计教程》（高等教育出版社出版）、《PCI总线与多媒体计算机》（电子工业出版社出版）等书，发表论文数十篇，申请发明专利4项。赵帅，毕业于沈阳航空航天大学。资深网络设备研发工程师，从事Android平板电脑系统嵌入式驱动层和应用层的开发工作。曾经在语音网关研发中改进了DSP中的语音编解码及回声抵消算法。现就职于浪潮电子信息产业股份有限公司。边栋，毕业于大连理工大学，获硕士学位。曾经执教于山东大学微电子学院，指导过本科生参加全国电子设计大赛，屡创佳绩。在物联网设计、FPGA设计和IC设计实验教学方面颇有建树。目前在山东大学微电子学院攻读博士学位，研究方向为电路与系统。徐胜朋，毕业于山东工业大学电力系统及其自动化专业。电力通信资深专家、高级工程师。现就职于国网山东省电力公司淄博供电公司，从事信息通信管理工作。曾经在中文核心期刊发表了多篇论文。荣获国家优秀质量管理成果奖和技术创新奖。申请发明专利和实用新型专利授权多项。

丛书序 

序言 

第1章 物联网集成电路（IoT IC）芯片设计概述1 

1.1 集成传感器件技术演进2 

1.2 物联网集成电路芯片分类3 

1.3 物联网集成电路芯片设计要求4 

1.3.1 物联网集成电路芯片设计一般要求4 

1.3.2 物联网边缘层设备IC芯片设计要求5 

1.3.3 物联网中间层设备IC芯片设计要求6 

1.3.4 物联网核心层设备IC芯片设计要求7 

1.3.5 物联网集成电路芯片安全性设计8 

1.3.6 物联网集成电路芯片低功耗设计9 

1.4 物联网集成电路芯片生态圈构建9 

1.4.1 英特尔布局云端物联网11 

1.4.2 Marvell做业界最全芯片平台解决方案11 

1.4.3 博通打造最安全物联网平台12 

1.4.4 TI建立第三方物联网云服务生态系统12 

1.5 物联网集成电路芯片定制化之变13 

1.6 物联网集成电路芯片产业化发展13 

1.6.1 物联网集成电路芯片技术发展趋势14 

1.6.2 IC企业在物联网领域的布局23 

1.6.3 传感器芯片和通信芯片是物联网集成电路芯片产业的方向28 

1.7 本章小结29 

1.8 习题29 

第2章 集成电路制造与设计基础30 

2.1 集成电路发展简史30 

2.2 集成电路产业变迁32 

2.3 集成电路分类与命名规则35 

2.3.1 按电路属性、功能分类35 

2.3.2 按集成规模分类37 

2.3.3 按导电类型分类38 

2.3.4 按用途分类38 

2.3.5 按外形分类39 

2.3.6 集成电路命名规则39 

2.4 集成电路制造40 

2.4.1 晶圆制造40 

2.4.2 晶圆生产工艺流程44 

2.4.3 集成电路生产流程44 

2.4.4 集成电路工艺46 

2.4.5 CMOS工艺49 

2.5 集成电路封装49 

2.5.1 集成电路封装技术49 

2.5.2 集成电路封装形式枚举52 

2.6 集成电路微组装工艺58 

2.6.1 不同工艺芯片组装58 

2.6.2 集成电路组装案例59 

2.7 数字集成电路设计概要62 

2.8 本章小结64 

2.9 习题64 

第3章 物联网传感器件设计65 

3.1 传感器件概述65 

3.2 材料型传感器66 

3.2.1 材料型传感器的基础效应66 

3.2.2 传感器半导体材料特性设计68 

3.2.3 掺杂工艺改变半导体敏感特性69 

3.2.4 设计材料成分，改变制造工艺，调节敏感特性72 

3.3 结构型传感器73 

3.3.1 电阻敏感结构74 

3.3.2 电感敏感结构75 

3.3.3 电容敏感结构78 

3.4 半导体敏感器件81 

3.4.1 磁敏元件结构81 

3.4.2 湿敏元件结构85 

3.4.3 光敏元件结构88 

3.4.4 气敏元件结构93 

3.5 生物敏感元件结构95 

3.5.1 酶传感器结构95 

3.5.2 葡萄糖传感器结构97 

3.5.3 氧传感器结构99 

3.6 图像敏感元件结构101 

3.6.1 CCD图像传感器101 

3.6.2 CMOS图像传感器106 

3.6.3 色敏三极管108 

3.7 传感器接口技术109 

3.7.1 传感器融合110 

3.7.2 I3C总线协议111 

3.8 几种传感器设计实例116 

3.8.1 MEMS传感器概述117 

3.8.2 微机电系统（MEMS）压力传感器118 

3.8.3 微机电系统（MEMS）加速度传感器118 

3.8.4 智能压力传感器119 

3.8.5 智能温湿度传感器121 

3.8.6 智能液体浑浊度传感器121 

3.9 本章小结122 

3.10 习题123 

第4章 物联网通信集成电路设计124 

4.1 通信电路概述124 

4.1.1 物联网常用通信方式124 

4.1.2 物联网通信电路进展128 

4.2 物联网有线通信电路设计130 

4.2.1 RS232电路设计131 

4.2.2 用VHDL设计UART收发电路132 

4.2.3 用Verilog HDL设计USART收发电路135 

4.2.4 RS485电路设计141 

4.2.5 光纤收发器电路142 

4.2.6 USB 2.0接口电路设计143 

4.2.7 USB 3.0芯片设计147 

4.2.8 USB 3.0转千兆以太网单芯片设计148 

4.3 物联网无线通信技术150 

4.3.1 物联网无线通信技术概述150 

4.3.2 物联网无线通信技术特性154 

4.4 RFIC芯片设计155 

4.4.1 RFIC 设计历程156 

4.4.2 RFIC设计流程156 

4.4.3 RFIC设计行业的衰落160 

4.4.4 几款射频芯片性能一览161 

4.5 WiFi芯片设计163 

4.5.1 WiFi芯片产业概况164 

4.5.2 WiFi芯片设计171 

4.5.3 WiFi无线收发基带处理器设计174 

4.5.4 WiFi芯片设计案列186 

4.5.5 5G WiFi技术191 

4.6 蓝牙芯片设计193 

4.6.1 TI CC2541蓝牙芯片概述193 

4.6.2 TI CC2541蓝牙芯片RF片载系统195 

4.6.3 TI CC2541蓝牙芯片开发工具195 

4.6.4 TI CC2541 蓝牙低功耗解决方案196 

4.7 本章小结197 

4.8 习题197 

第5章 窄带物联网（NB-IoT）198 

5.1 NB-IoT概念198 

5.2 NB-IoT商业模式199 

5.3 NB-IoT技术标准200 

5.4 NB-IoT实现高覆盖、大连接、微功耗、低成本的技术路线201 

5.4.1 NB-IoT提升无线覆盖的方法201 

5.4.2 NB-IoT实现大连接的关键技术203 

5.4.3 NB-IoT实现低成本的技术路线204 

5.4.4 NB-IoT实现低功耗的措施206 

5.5 NB-IoT芯片设计208 

5.5.1 NB-IoT芯片设计目标208 

5.5.2 物联网芯片生产厂商产品一览209 

5.5.3 NB-IoT终端芯片系统结构213 

5.5.4 Rx架构的选择216 

5.5.5 Rx混频器（Mixer）设计216 

5.5.6 Rx直流偏移消除电路218 

5.5.7 Tx中的模拟基带219 

5.6 NB-IoT业务范围、应用场景及竞争挑战221 

5.6.1 NB-IoT主要业务范围221 

5.6.2 NB-IoT应用场景222 

5.6.3 NB-IoT发展与挑战223 

5.7 本章小结223 

5.8 习题224 

第6章