高可靠性I-O標(biāo)準(zhǔn)單元庫及其ESD防護(hù)設(shè)計(jì).pdf

1、作為集成電路芯片內(nèi)部電路與片外系統(tǒng)通信橋梁的I/O（Input/Output）單元?jiǎng)t是標(biāo)準(zhǔn)單元庫中最基本也是最難設(shè)計(jì)的一種。首先，它不僅承擔(dān)著為芯片提供足夠的對(duì)外輸出驅(qū)動(dòng)電流，接收外部輸入信號(hào)的任務(wù)，同時(shí)還必須為內(nèi)核電路以及I/O電路自身提供有力的靜電放電(ESD，Electro-Static Discharge)防護(hù)。其次，現(xiàn)代集成電路的功能越來越復(fù)雜，操作速度也越來越快，這就要求標(biāo)準(zhǔn)單元庫要提供更多的功能齊全的輸入/輸出單元，以滿足

2、電路設(shè)計(jì)的需求。最后，晶體管柵極氧化層的擊穿電壓也隨著工藝的進(jìn)步而降低，從而使得芯片的ESD承受能力進(jìn)一步下降。因此在先進(jìn)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單元庫任重而道遠(yuǎn)。
　　本論文在研究國(guó)內(nèi)外I/O單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于體硅CMOS工藝設(shè)計(jì)一套I/O單元庫，該單元庫包含功能豐富的數(shù)字I/O單元、簡(jiǎn)單的模擬I/O單元、電源切斷單元、供電單元和一些填充單元。其

3、中數(shù)字I/O單元的輸出級(jí)具有多種電流驅(qū)動(dòng)能力，并且可以在高阻態(tài)時(shí)選擇是否具有上拉(Pull Up)至高電平或下拉(Pull Down)至低電平的功能。此外，隨著輸出信號(hào)頻率的提高，脈沖邊沿的變陡，輸出驅(qū)動(dòng)管子尺寸的加大，同步開關(guān)噪聲（SSN，Simultaneous Switching Noise）的影響將越來越嚴(yán)重，這會(huì)使得電路可能發(fā)生功能錯(cuò)誤或因閂鎖現(xiàn)象而燒毀，所以輸出級(jí)同時(shí)還提供了一個(gè)具有輸出信號(hào)邊沿緩變功能的輸出單元以抑制接地電

4、位彈跳現(xiàn)象。最后，輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)還進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，從而避免了瞬間短路電流造成的功率損耗。在輸入單元中，還可以選擇是否具有Schmitt整形功能，以消除輸入信號(hào)上的噪聲，同時(shí)該單元還具有高電壓容忍的功能。在ESD防護(hù)方面，本文在對(duì)叉指結(jié)構(gòu)GGNMOS開啟均勻性和SCR工作原理深入研究的基礎(chǔ)上，從全芯片的角度為I/O單元設(shè)計(jì)了符合要求的ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)。版圖設(shè)計(jì)過程中除了重點(diǎn)考慮ESD魯棒性之外還考慮了抗閂鎖設(shè)計(jì)。
　　經(jīng)過版圖后仿真，該