芯片的输入输出结构

第九章芯片的输入/输出结构,第一节芯片的总体结构第二节输入单元第三节输出单元第四节双向单元,第一节芯片的总体结构,一、芯片的总体布局,要求布局的规整Regularity,压焊块(PAD)分为：输入输出三态/双向,信号通过压焊块与外部相连，压焊块单元起内外隔离、对外驱动，内部保护等的功能。,二、压焊块的尺寸及布局,大小：压焊丝能够连接的最小尺寸100mm100mm150mm150mm,间距：压焊机能够工作的最小间距150mm200mm,电源和地线的布局,第二节输入单元,一、输入单元的作用对内部电路的保护内外信号电平的转换提高输入信号的驱动能力二、输入保护电路三、输入缓冲电路,二、输入保护电路,静电对MOSFET的影响ESD（electrostaticdischarge),ESD是引起芯片在制备和使用中失效的主要原因之一。外界干扰和静电感应可以引起很高的电压，使MOSFET栅击穿。MOSFET绝缘栅晶体管对于一定的栅介质，其击穿电场一定，通常在5106107V/cm,栅上积累的少量电荷，将引起栅击穿。,思考题：如果MOS结构中氧化层的厚度为Tox，氧化层所承受的最大电场强度为EM，估算该MOS结构能感应出的最大电荷密度Qmax和所能够承受的最大的偏压Vmax。,保护方法：,为栅上感应的电荷提供放电通路。,输入保护电路I,要求二极管的击穿电压小于MOSFET栅的最大耐压。,外界高压,二极管先击穿,流过的大电流在电阻上产生压降,MOSFET栅上的电压降低,输入保护电路II,通过两个二极管对输入信号钳位使输入端信号钳制在,感应电荷产生的电压超出此范围同样被钳位,电阻典型值为几百欧姆,三、输入缓冲电路,提高输入信号的驱动能力、内外信号电平的转换,输入缓冲电路I,一级或两级反相器,TLL电路到CMOS电路的电平位移,若MOSFET的Vth1.0V,设计该反相器的尺寸,输入单元的版图,nMOS栅接地形成二极管,pMOS栅接地形成二极管,输入缓冲电路II,输入信号不反相，减小输入缓冲反相器的尺寸，提高电平转换的能力和可靠性,输入缓冲电路III,施密特触发器Schmitttrigger,提高输入噪声容限,第三节输出单元,一、输出单元的作用提供一定的负载能力，减少内部逻辑电路的负荷承担一定的逻辑功能，有一些可控性，一般有同相和反相输出。通常输出单元需要驱动压焊点、封装引线、及到PCB版的寄生电容，总共为几十几百pF。二、输出驱动电路三、三态输出电路,二、输出驱动电路,要求缓冲器有足够大的驱动能力；同时缓冲器总延迟时间最小。,输出驱动电路I,利用大尺寸反相器提高驱动能力,大尺寸NMOSFET版图,输出驱动电路II,反相器链，又称超级驱动器，superbuffer,设计关键：驱动负载CL需要多少级才能使延迟最小？每级反相器的尺寸如何确定？,三、三态输出电路,输出单元除了可以输出“1”和“0”的逻辑电平外，还可实现高阻输出。单元具有三种输出状态。高阻状态输出端既没有电流流出，又没有电流流入。,CK1，ZDCK0，Z为高阻态,同相三态输出单元的版图,第四节双向单元,设计题1，时钟驱动器,设计上图的时钟驱动器buffer0buffer4的级数和尺寸以满足要求：1、CLK1CLK4之间为同相信号（偶数级反相器）2、CLK1CLK4的上升、下降时间满足trise和tfall1.5ns3、CLK1CLK4之间的歪斜小于50ps并画出buffer2的版图。,说明：电源电压为2.5V片外输入时钟CLK的上升和下降时间