北大集成电路原理与设计之一：数字集成电路原理与设计课件06 CMOS集成电路的I或O设计

1第六章CMOSI/O设计GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计6.1输入缓冲器6.2输出缓冲器6.3ESD保护电路6.4三态输出的双向I/O缓冲器GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输入缓冲器两方面作用电平转换接口过滤外部信号噪声GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输入缓冲器:电平转换电平兼容TTL电路逻辑摆幅小最坏情况CMOS电路输入电平（VDD=5V）IHmin=2.0VVILmax0.8VVGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输入缓冲器逻辑阈值设计求算导电因子比例IHminILmaxit1.4V2VVVDDTNTP5V,0.8VVVVNrp21.7KKKNMOS管占用大量芯片面积；输入为VIHmin时有静态功耗TNrDDTPitrr1=111VKVVVKKIHmin=2.0VVILmax0.8VVVDDVVinouttGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输入缓冲器改进电路增加二极管，使反相器上的有效电源电压降低PMOS加衬底偏压，增大其阈值电压的绝对值增加反馈管MP2，改善输出高电平TNrDDTPitrr1=111VKVVVKKGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输入缓冲器：抑制输入噪声用CMOS史密特触发器做输入缓冲器GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware史密特触发器：输入缓冲器转换电平噪声容限回滞电压HH,2VVVVVDDrTNr1VKVVKrDDTPr1KVVVKNHMDDNLM,VVVVVGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware史密特触发器做输入缓冲器利用回滞电压特性抑制输入噪声干扰GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwareVMtVoutt0+tptGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计6.1输入缓冲器6.2输出缓冲器6.3ESD保护电路6.4三态输出的双向I/O缓冲器GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器在驱动很大的负载电容时，需要设计合理的输出缓冲器提供所驱动负载需要的电流使缓冲器的总延迟时间最小一般用多级反相器构成的反相器链做输出缓冲器GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器驱动不同负载电容时，输入/输出电压波形及充放电电流使反相器链逐级增大相同的比例，则每级反相器有近似相同的延迟，有利于提高速度GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器逐级增大S倍的反相器链1in22inLin,,.NCSCCSCCSCpp01/inp0L/NtNStNCCt1/inL/NSCC0pt为反相器驱动一个相同反相器负载的延迟时间GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器：反相器链使tp最小的N与S的最优值实际设计中应在满足速度要求的前提下，尽量减少N，适当增大S，以减少面积和功耗对最终输出级的上升、下降时间有要求时，应先根据时间要求和负载大小，设计出最终输出级反相器的尺寸，再设计前几级电路。inLln(/)NCC1/inL(/)e2.72NSCCGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器增加输出缓冲器的作用无缓冲器有缓冲器缓冲器级数10106.3210010013.651000100019.07100001000024.59Lin/CCpp0/ttpp0/ttinLln(/)NCC1/inL(/)e2.72NSCCGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器负载10PF，最终输出级的上升、下降时间是1ns的驱动电路的三种设计方案GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器性能比较实际缓冲器的设计应从速度、功耗和面积综合考虑GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器采用梳状(叉指状)结构的大宽长比MOS管相当于把宽度很大的MOS管变成多个并联的小管子，减小了多晶硅线的RC延迟GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware输出缓冲器不同结构输出级MOS管对电路速度的影响GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计6.1输入缓冲器6.2输出缓冲器6.3ESD保护电路输入端ESD保护电路输出端ESD保护电路电源的ESD保护电路6.4三态输出的双向I/O缓冲器GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware保护电路如果MOS晶体管的栅氧化层上有很大的电压，会造成氧化层击穿，使器件永久破坏随着器件尺寸减小，栅氧化层不断减薄，氧化层能承受的电压也不断下降tox＝5nm时，VGm=5V由于MOS晶体管的栅电容很小，积累在栅极上的杂散电荷就能形成很大的等效栅压，引起器件和电路失效，这就是ESD问题（ElectrostaticDischarge,）静电释放GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware保护电路ESD应力的四种模式某一个输入（或输出）端对地的正脉冲电压（PS）某一个输入（或输出）端对地的负脉冲电压（NS）某一个输入或输出端对VDD端的正脉冲电压（PD）某一个输入或输出端对VDD端的负脉冲电压（ND）在芯片的输入和输出端增加ESD保护电路GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware保护电路双二极管保护电路PS：D2击穿NS：D2导通PD：D1导通ND：D1击穿栅极电位钳制在GDD0.7V0.7VVVGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware保护电路对深亚微米CMOS集成电路，栅氧化层的击穿电压很小，常规二极管的击穿电压较大，不能起到很好的保护作用。因此可以增加离子注入提高二极管衬底浓度，来降低二极管的击穿电压输入保护电路和电平转换电路结合起来就构成实际的CMOS集成电路中常采用的输入缓冲器结构GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware保护电路用场区MOS管作输入保护输入端有较大的正脉冲电压时场区MOS管导通，使ESD电流旁路用栅接地的NMOS管和栅接VDD的PMOS管共同构成输入保护电路源漏区pn结起到二极管的保护作用GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware保护电路特征尺寸的缩小对ESD保护电路的挑战I/O管脚数目增加，需减小保护电路的面积需降低保护电路的钳位电压，加快电荷泄放速度采用垂直双极晶体管（VerticalBipolar,V-BIP）做保护电路输入电压过高时，D被击穿，电阻R使V-BIP发射结正偏，双极晶体管导通，为ESD提供很大的放电电流GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware保护电路采用V-BIP做保护电路的优点采用n阱CMOS工艺，在n阱中制作垂直结构的双极晶体管，并形成触发二极管DV-BIP器件收集区通过常规CMOS器件的n阱和ESD器件的n阱相连高驱动电流低钳位电压低成本小面积GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware保护电路ESD应力电压加在电源和地的管脚之间应在电源和地之间