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集成电路输入输出单元库

集成电路输入输出单元库

 

输入输出单元库 ( I/O Cell)

I / O单元是IC的基本构建模块。 IC内部的输入和输出信号由I / O单元控制;

关于 ASIC,CPLD和PLA,I / O单元在设计特定数字芯片或单个芯片中内置数字器件方面起着重要作用。基于此,所有数字器件或自然界中的任何器件也应具有输入以及输出;正如所指出的,如果我们制作了一个标准的I / O单元,它将作为一个普通的,用户友好性质的单元用于提供输入或输出。 这是为了使必须规范维护的I / O单元更好地标准化,每个设计公司和代工厂在设计或制造其器件时都应遵循。

I / O单元是芯片核 (Chip Core) 与芯片外部之间的接口,I / O单元或I / O缓冲 ( I/O Buffer)是可以发送和接收信号的双向缓冲区。 此外,I / O单元可保护芯片的内核免受高压,ESD的影响,并避免栅极氧化层击穿。

为了描述特征,我们可以说标准单元 (Standard Cells) 只有一个电压源。 I / O单元可能具有多个(通常是两个)电压源。 对于这两种类型的单元,电压源的定义是不同的,因此必须小心对待和处理。

 

输入输出单元结构:

输入输出单元通常有三部分组成:

键合垫 ( Bonding Pad);在封装时金线由此处键合到引线框架的管脚上

电压源:有直流和交流电压源

内部电路:包括 ESD 保护电路,驱动电路,电位上拉,下拉电路等

 

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图 1    输入输出单元结构

 

输入输出单元库 (I /O)设计的目标

减少往返于外界的延迟(PCB)

高驱动电流能力

使阻抗与负载ESD保护相匹配

电压的电平移动(即1.2V内部 / 3. 3V外部)

符合接口规范

降低功率(通过输出缓冲器的短路电流)

高耐压

 

输入/输出电路 ( I/O Circuits) 的要求:

• 大负载驱动能力; 由于封装和传输线

• 电压一致性; 由于板上的电源电压不同

• 开关噪音低; 由于封装和传输线电感

• 静电防护; 由于外部器件的电位差高

 

I / O单元的类型

基本I / O单元有几种类型:

• 数字I / O缓冲器: 提供高驱动电位上拉 ( up-level shifting) 输出, 为输入提供电位下拉 ( Down-level shifting) 和ESD保护

• 模拟量I / O单元: 提供ESD保护的模拟输入/输出

• 电源: 为I / O和芯片核供电, 为ESD保护提供基础

• 电源切断单元:通过使用断电单元可以解决模拟和数字电源隔离问题

下面以数字I / O的为例说明其内部结构:

 

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图 2    数字I / O 的版图

 

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图 3    数字I / O 的结构图

 

I / O 的静电防护

•静电放电(ESD)

•IC行业最重要的可靠性问题之一。

•ESD保护电路将高电流转移出内部电路,并在ESD应力期间钳制高电压。

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图 4     I / O的静电防护

 

 

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图 5     I / O的静电防护结构

 

键合垫构造 ( Bonding Pad)

并排 ( In line) 键合垫

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图 6     并排键合垫

 

交错(Staggered)键合垫

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图 7     交错键合垫

 

垫下电路 ( Circuit Under Pad, CUP) 键合垫

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图 8     垫下电路键合垫

 

倒装芯片 ( Flip Chip) 键合垫

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图 9      倒装芯片键合垫

 

I / O电源设计准则

在I / O设计过程中,请遵循以下准则:

•在IC电源电压之间放置尽可能多的互电容 (Mutual Capacitances)。

•放置尽可能多的电源电压引脚。 将电源电压和接地电压尽可能地靠近放置。

•为芯片核和I / O提供单独的电源电压。

•通过使用尽可能短的传输线来尽可能减少电感。

•尽可能降低信号速率。 但是要小心,因为降低信号速率会导致信号减弱,并且实验表明这些噪声会对给定的I / O单元产生一定的影响

 

I / O设计流程:

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图 10     I / O库设计流程

数字输入输出单元包括输入电路部分和输出电路部分,在输入电路部分,信号通过施密特触发器进行降噪处理,保证电路不会被误触发,再通过降压电路和上下拉电阻等结构将1.8V的外部信号转换为0.8V的信号传入芯片内部;在输出电路部分,信号通过升压电平转换器和一系列的驱动模块将0.8V的信号转换为1.8V的信号,并且有DS0、DS1选择器控制的12mA、16mA、20mA、24mA四个可以选择的驱动电流的档位,电路的工作频率为100MHz。在电源模块的设计中,加入了上下电检测电路,产生的信号FP加入到电路的逻辑运算当中,可以防止一定程度上的漏电和信号错乱,并且可以节省一定的功耗。在ESD的设计中,使用瞬时钳位电路,电阻电容钳位电路结构做为ESD电流泄放通道,采用网格状金属结构,减小电流密度,增大散热面积,使电路可以达到HBM 3000V、CDM 500V、MM 100V的ESD防护等级。本文涵盖了输入输出单元库从电路开始到版图设计和流片测试结果的全过程,因为输入输出单元电路在芯片中有着不可替代的作用,它既是信号的‘桥梁’,又给整个芯片提供一定程度上的ESD保护,用FinFET工艺进行电路设计并进行流片测试也是对这一新型工艺的检验和考验。经过测试,所有设计指标都达到要求,满足我们的设计需求,并且与28nm工艺版图面积相比均有一定比例的缩小

 

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