什么是芯片的IO电路？IO电路设计的难点或关键点是什么？

01

什么是芯片的IO电路？

简单来说，IO电路其实就是指芯片的信号输入输出接口电路，其一般位于芯片版图的最外围。IO电路一般有以下几个功能：

（1）实现电平转换

（2）提高驱动能力

（3）进行ESD保护

先说电平转换。芯片内部电路信号的高低电平和外部要求不一致时，这样通过IO电路可以实现电平的转换。

再说驱动能力。尤其是数字芯片，一个输出信号有可能同时有多个扇出，这时候容性负载往往较大，为了使输出信号的上升下降沿不至于过慢，就要求芯片具备一定的驱动能力。

最后是ESD防护。这是必不可少的一部分。但凡是芯片，在IO电路中都需要增设ESD防护电路，以便芯片在遭受静电冲击的时候不至于损坏。

02

IO电路的分类

图 1 输入输出IO的分类

输入IO比较简单，根据带不带上下拉电阻可以分为两种。对于一般的输入IO，其就是反相器构成的BUF。在没有激励信号输入时，带上拉电阻可以使输入保持为默认的高，带下拉电阻可以使输入保持默认的低。由于上下拉通常都是弱上拉或弱下拉，因此当有外部激励输入时，上下拉电阻并不影响信号输入。

输出IO基本分为三种。

第一种是推挽输出结构。推挽输出就是常见的反相器结构，不必多说。

第二种是OC/OD输出结构。其为集电极开路/漏极开路输出，电路如下图所示。显然这种结构是没法直接传输高电平的，系统应用时必须要在开路端增加上拉电阻。

图 2 OC/OD输出

OC/OD输出结构具有以下特点：

（1）很方便地调节输出的高电平，可以进行灵活的电平转换；

（2）可以实现"线与"功能；

（3）带来上升沿的延时问题（和外部R大小选择有关）

第三种是三态输出结构。如下图所示，相对于一般门只有0和1两种状态，三态门多出了一个高阻状态。同时，三态门还有单向三态门和双向三态门之分。

图 3 三态输出结构（图片侵权删）

高阻态时输出电阻很大，相当于开路，相当于该门与和它连接的电路处于断开的状态。因此三态门可以说是一种扩展逻辑功能的输出级，可以作为控制开关使用。该种结构通常可用于总线的连接，因为总线只允许同时只有一个使用者。通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过OE/CE之类的信号选通。如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。

03

IO电路都有哪些参数？

IO电路主要参数如下图所示。

图 4 IO参数汇总

04

IO电路设计的难点或关键点是什么？

其实IO电路本身的原理是很简单的，但在IO电路的设计过程中，需要考虑地弹的影响，而地弹的优化正是IO电路设计的难点。

那么什么是所谓“地弹”呢？百度百科解释如下：

“地弹”，是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。以电路板“地”为参考，就像是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（ground bounce）。

“地弹”是怎么形成的呢？地弹是由管壳寄生的L引起的。如下图所示，我们先看左图，不考虑管壳寄生L，芯片地认为就是理想的地。再看右图实际上芯片地和外部PCB地——认为理想地之间存在寄生的L，当反相器动态工作时，瞬态电流的变化会在L上产生感应电动势，所以就可以看到芯片地的弹动是多么的欢快了。

图 5 地弹形成原理图

说“地弹”会带来麻烦，具体是指什么呢？地弹会造成IO电路对外部输入高低电平的不正确判断。这可是个严重的问题：你想呀，对于CMOS电平标准，给芯片2.0V输入，IO应该识别为高，输出1的，那如果芯片识别成0会怎么样呢？更严重的是或许会识别成一会0一会1的扰动信号。这不用说，当然是严重的功能性故障了。

所以我们需要做的就是：保证在地弹环境下IO电路能正确识别外部输入的高低电平，这其实就是要保证VIH/VIL在地弹环境下满足手册指标要求。

05

搭建地弹仿真环境的注意事项

IO顶层电路地弹仿真环境的搭建需要注意以下几点：

6

地弹环境下VIH/VIL测量方法

仿真测量方法可以有两种，都可以通过写公式的办法自动计算。第一种是给输入施加斜坡信号。具体参考下图：

图 6 输入斜坡信号时的方法

输入IO第一次误翻转时对应的输入斜坡值为VIL，输入IO最后一次误翻转时对应的输入斜坡值为VIH。需要注意的是斜坡信号必须足够缓慢才能得到准确的测量值，这里有一个经验设定：斜率K=10mV/2T，T为翻转周期，即两个翻转周期的时间斜坡变化量为10mV。斜率当然越小越准确，但相应的仿真时间也会越长。

还有第二种方法是采用台阶信号，具体如下图：

图 7 输入台阶信号时的方法

使用这种办法，输入IO第一次误翻转时对应的台阶的前一阶的值为VIL，输入IO最后一次误翻转时对应台阶的后一阶的值为VIH。需要注意的是台阶信号的步长必须足够小才能得到准确的测量值，这里有一个经验设定：STEP=10mV/2T，T为翻转周期，即两个翻转周期的时间增一个台阶，变化量为10mV。10mV的误差量是可以接受的，步长当然越小越准确，但相应的仿真时间也会越长。

这两种方法都可以得到基本一致的结果，第一种方法要得到准确的测量结果势必要降低斜率，这会带来仿真时间的增加。其实在PVT仿真时比较推荐第二种方法，因为可以采用一个取巧但又不失准确度的的办法：可以省却中间的部分的台阶，只保留两头的台阶。因为通常PVT仿真时VIH或VIL的最小最大值肯定是落在两头的台阶范围内的，这样可以进行有效的仿真加速！

审核编辑：黄飞