I/O单元的结构说明 简单介绍几种数字I/O单元

一、I/O 单元的结构：

• I/O PAD 包括压焊块，电路，电源线和地线。

• 压焊块 PAD 用于金线连接芯片与封装管座，通常为几十微米的矩形； 因此，为了防止金线短路， 要求 PAD 之间要有最小距离，具体数值取决于封装形式 。

• 大部分 I/O PAD 都是以标准单元的结构形式出现，有一套 I/O 库，和 std cell 一样，通常具有等高不等宽的形状。

（有的地方 PAD 是指单独的压焊块，有的地方 PAD 是指整个 I/O 单元； 需注意区分，一般用 Bounding PAD 指前者，PAD 指后者）

1.1 一套基本的 I/O 库提供以下几种 I/O PAD

1.给 pad 供电的 pad，例如：PAD_VDD，PAD_VSS；

2.给 core 供电的 pad，例如：VDD，VSS（如果存在多个 VDD domain，还有 AVDD，AVSS 之类的 pad）；

3.模拟信号的 pad，例如 ANIN(analog 的 pad 一般就是一块铁片，有的 vendor 推荐用户可以自己基于要求自己再加上一定的 ESD 保护电路)；

4.数字信号的 pad，一般有 input 和 output 的区别，里面还有包括 level shifter，buffers 之类的数字电路。

1.2 I/O 单元中的电路：

从功能上来讲 ，电路部分的作用有几方面：ESD 保护，level shifter，施密特触发器，还有提供电源环路等；

对外：提供驱动； 外界的电容相对来说很大，例如一个示波器的探头电容是 10Pf，仅仅靠芯片内部电路是无法驱动的；

对内：提供内外的隔离和输入保护功能； 最主要的就是 ESD 保护；

电路又可分为 pre-driver 和 post-drive：

pre-driver 就是 core 电压部分，一般为低压 1.0V，一般叫 VDD/VSS；

post-driver 为 pad 上高压部分，即 3.3V，提供大的驱动能力和 ESD 保护； tsmc 叫 VDDPST/VSSPST，SMIC 叫 VDDH/VSSD；

I/O 上都有两种高电压，通过 level shift 实现电压转换； 具体的电压值取决于工艺。

二、简单介绍几种数字 I/O 单元

• 输入 I/O PAD

• 输出 I/O PAD：倒相输出，倒相链输出

• 其他 I/O PAD：同相输出，三态输出 I/O PAD，开漏输出单元

• 输入输出I/O PAD

2.1 输入单元：承担对内部电路的保护

主要目的是 ESD 保护，ESD 保护的基本思想：

1.让静电通过一个低阻抗的并联通道进行放电，同时将 ESD 电压钳制在一个足够低的电平，从而避免金属互联线烧毁或者栅氧化层击穿；

2.输入保护分为单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构、还可以利用 PN 结的反向击穿特性； 3.正向偏置的二极管或者反向偏置的二极管都可以作为 ESD 防护器件；

2.1.2 单二极管+电阻结构的 ESD 保护电路:

瞬态高电压有可能是正的，也有可能是负的； PN结的阳极 P 区接地，阴极 N 区接内部电路；

如果此时一个来了一个负的高电压，通过 PN 结直接到地； 如果此时来了一个正的高电压，PN 结被反向击穿后形成泄放路径；

2.1.2 双二极管+电阻结构的 ESD 保护电路：

负的高电压通过 D2 泄放，正的高电压通过 D1 泄放。

隔离环用于防止 latch up； 关于latch up可以参考之前的一篇文章。

2.2 输出单元

输出单元的主要作用是提供一定的驱动能力； 此外，还承担一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作性；

主要的输出单元包括：倒相输出、同相输出、三态输出、以及金属掩膜编程的输入输出单元（不同的控制信号下，既可以做输入也可以做输出单元）；

大驱动意味着对外部电路充电速度更快，也就需要大电流；MOS 管的电流方程如下图：

宽长比就是我们可以很方便操作的东西，大尺寸，也就是大的宽长比的 MOS 管可以提供一个大电流；

对于细长的条栅 MOS 管来说，不仅在栅下存在明显的寄生电容，同时较长的栅也会引入寄生电阻；将原来的 MOS 管拆分成多个并联的小的 MOS 管，并且使他们源漏共用，得到最终的版图；

2.2.1 倒相输出的 I/O PAD

内部电路通过一级反相器驱动，连接到 PAD 上；

考虑输出单元的速度时，大尺寸电路的设计需要考虑前级驱动问题。

如果只用一级反相器带大电容负载，就需要大尺寸的反相器，那么其输入电容 Cg 很大，内部电路最后一级的负载电容就会很大；因此就算一级反相器可以驱动后面的电路，延迟也会非常大。

反相器内部电阻是 R0，外部负载电容是 CL；

R*C 称为 RC 时间常数；τ 为一个标准反相器的时间常数；令 Y=CL/C0

那么此时这个一级反相器的时间常数 ttol = R0CL = (CL/C0)R0C0 = Yτ

2.2.2 带大电容负载时的倒相器链驱动结构

采用 N 级倒相器链驱动，每一级都比上一级驱动能力大 f 倍：

对于倒相器链中的一级来说，下一级驱动能力大 f 倍，意味着输出电容为原来的 f 倍，电阻变为原来的 f/1；

因此，τ = R0*fCg = fτ

再看后面一级，τ = (R0/f)*(f2Cg) = fτ；

倒相器链中每一级的时间常数都是 fτ；

因此，总的倒相器链的时间常数为ttol = N*fτ (1)

由于每一级的驱动能力相比前一级放大了 N 倍，N 级就放大了 fN 倍，所以，fN = CL/Cg = Y (2)

由上述两式可得 ttol = （f/lnf）τlnY

从仿真结果可以看到，并不是任何情况下都适合采用倒相器链；并且采用倒相器链时，f 也不是越大越好；

2.3 其他 I/O PAD

2.3.1 同相输出 I/O PAD

“倒相+倒相”，或采用偶数级的倒相器链

2.3.2 三态输出 I/O PAD

类似于三态门； 三态输出可用于总线上，一条总线上如果挂了 N 个门，不是每个门都可以去用这个总线的，当一个门用的时候其他门必须跟总线断开；

D 端是数据，C 端是控制信号；

当控制信号为 0 的时候，与非门的输出为 1；控制信号经过一个反相器，以及一个或非门后输出为 0；此时，对于 M1 这个 PMOS 和 M2 这个 NMOS 来说都不导通，因此 PAD 和内部电路完全不导通，呈现高阻态；

当控制信号 C=1 时，此时与非门、或非门作用都是一个反相器；

若 D=0，则 M1 不导通，M2 导通，此时输出 0

若 D=1，则 M1 导通，M2 不导通，此时输出 1

2.3.3 开漏输出单元

N 个开漏器件并联，接一个上拉网络，可以完成线与的功能；

也就是只有 A1-An 输出都为 1 的时候，该电路的输出才为 1；只要 A1-An 其中一个输出为 0，则电路输出为 0。

2.4 输入输出单元

可编程的输入输出单元
 

直接看这个单元的电路是不完整的，需要靠不同的连线使其变成输入或者输出单元；

上方是属于输入电路的，二极管提供 ESD 保护，但是还并未和 PAD 连接； 下方是属于输出电路； 具体的功能取决于怎么连线；

• 二极管和 PAD 连接； M1 和 M3 的 SD 短接，相当于二极管； B 端 floating，M2 和 M4 不发挥任何作用，此时相当于一个输入单元；

• 作为输出单元时的电路图

更常用的是输入输出单元是通过控制信号去切换具体的功能

S/W 和 C 作为控制端

个人觉得，框出来的地方应该写成：D=0 时，M3 截止，M4 导通，输出为 0；D=1 时，M3 导通，M4 截止，输出为 1；

三、关于I/O PAD一些其他基本概念

3.1 I/O PAD 的摆放方式（Inline/ Staggered）：

对于面积有限，单层的 inline pad ring 放不下，可以使用 staggered 的方式，也就是下面右图里面那种交叉摆放的方式。

对于 Inline 的摆放方式，PAD 之间的最小 pitch 取决于不同的 foundary 和工艺。

对于 Staggered 的摆放方式，inner 和 outer bounding pad 相互交错，可以摆放更多的 PAD，代价是每一个 PAD 的平均高度增加了。

3.2 Pad Limited 和 Core Limited Design

区别在于是 PAD 还是 Core 区域限制了整个芯片的大小；

对于 Pad Limited Design，PAD 的尺寸更大，数量更多； 可以使用 Staggered 的排列方式或者 Flip Chip 的封装方式；

3.3 角垫和填充垫

• Corner PAD也是一种physical only cell，作用是连接芯片拐角处两边的 I/O PAD，连接衬底及衬底以上的各个层，使 I/O PAD内部的电路形成一个电源地的供电环路，同时也使得衬底连续；

• Filler PAD的作用和 Corner PAD类似，连接两个相邻的 I/O PAD的衬底以及金属层，形成一个电源地环路；
 

和 Corner PAD一样，Filler PAD也不是必须的，在打线和封装能够实现的情况下，可以将 I/O PAD不留空隙的相邻放置，当然要保证不会有DRC和LVS的违反。

3.4 I/O PAD 的选择

最后，关于 I/O PAD 的选择，Singal Pad 和 Power Pad 数量的计算。