芯片的输入输出结构.ppt

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1、10/29/2022110/29/20221Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第九章第九章芯片的输入芯片的输入/输出结构输出结构第一节第一节芯片的总体结构芯片的总体结构第二节第二节输入单元输入单元第三节第三节输出单元输出单元第四节第四节双向单元双向单元10/29/2022210/29/20222Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan L

2、iuXiaoyan Liu第一节第一节芯片的总体结构芯片的总体结构一、芯片的总体布局一、芯片的总体布局要求布局的规整要求布局的规整Regularity压焊块压焊块(PAD)分为：分为：输入输入输出输出三态三态/双向双向信号通过压焊块与外部信号通过压焊块与外部相连，压焊块单元起内相连，压焊块单元起内外隔离、对外驱动，内外隔离、对外驱动，内部保护等的功能。部保护等的功能。10/29/2022310/29/20223Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu二、

3、压焊块的尺寸及布局二、压焊块的尺寸及布局大小：压焊丝能够连接的最小尺寸大小：压焊丝能够连接的最小尺寸100 m100 m150 m150 m间距：压焊机能够工作的最小间距间距：压焊机能够工作的最小间距150 m200 m10/29/2022410/29/20224Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu10/29/2022510/29/20225Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microel

4、ectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu10/29/2022610/29/20226Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu电源和地线的布局电源和地线的布局10/29/2022710/29/20227Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第二节第二节输入单元输入单元一、输入单元的作

5、用一、输入单元的作用对内部电路的保护对内部电路的保护内外信号电平的转换内外信号电平的转换提高输入信号的驱动能力提高输入信号的驱动能力二、输入保护电路二、输入保护电路三、输入缓冲电路三、输入缓冲电路10/29/2022810/29/20228Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu10/29/2022910/29/20229Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PK

6、U，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu二、输入保护电路二、输入保护电路静电对静电对MOSFET的影响的影响ESD（electrostaticdischarge)ESD是引起芯片在制备和使用中失效的主要原因之一。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，使外界干扰和静电感应可以引起很高的电压，使MOSFET栅击穿。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，绝缘栅晶体管对于一定的栅介质，其击穿电场一定，通常在通常在5106107V/cm,栅上积累的少量电荷，将引起栅击穿。栅上积累的少量电荷，将引起栅击穿。思考题：思考题：如果

7、如果MOS结构中氧化层的厚度为结构中氧化层的厚度为Tox，氧化层所承受的最大，氧化层所承受的最大电场强度为电场强度为EM，估算该，估算该MOS结构能感应出的最大电荷密度结构能感应出的最大电荷密度Qmax和所和所能够承受的最大的偏压能够承受的最大的偏压Vmax。保护方法：保护方法：为栅上感应的电荷提供放电通路。为栅上感应的电荷提供放电通路。输入保护电路输入保护电路I要求二极管的击穿电压小于要求二极管的击穿电压小于MOSFET栅的最大耐压。栅的最大耐压。外界高压外界高压二极管先击穿二极管先击穿流过的大电流在流过的大电流在电阻上产生压降电阻上产生压降MOSFET栅上的电压降低栅上的电压降低10/29

8、/20221110/29/202211Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu输入保护电路输入保护电路II通过两个二极管对输入信号通过两个二极管对输入信号钳位使输入端信号钳制在钳位使输入端信号钳制在感应电荷产生的电压超感应电荷产生的电压超出此范围同样被钳位出此范围同样被钳位电阻典型值电阻典型值为几百欧姆为几百欧姆10/29/20221210/29/202212Department of Microelectronics,PKUDepartment of

9、Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu10/29/20221310/29/202213Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu三、输入缓冲电路三、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输入缓冲电路I一级或两级反相器一级或两级反相器TLL电路到电路到CMOS电路的电平位移电路的电平位移若若MOSFET的的Vth1.0V,设计设计该反相器该反

10、相器的尺寸的尺寸10/29/20221410/29/202214Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu输输入入单单元元的的版版图图nMOS栅接地形成二极管栅接地形成二极管pMOS栅接地形成二极管栅接地形成二极管10/29/20221510/29/202215Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu输入缓冲电路输入

11、缓冲电路II输入信号不反相，减小输入缓冲反相器的尺输入信号不反相，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寸，提高电平转换的能力和可靠性输入缓冲电路输入缓冲电路III施密特触发器施密特触发器Schmitttrigger提高输入噪声容限提高输入噪声容限10/29/20221710/29/202217Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第三节第三节输出单元输出单元一、输出单元的作用一、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提

12、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。相输出。通常输出单元需要驱动压焊点、封装引线、及到通常输出单元需要驱动压焊点、封装引线、及到PCB版版的寄生电容，总共为几十几百的寄生电容，总共为几十几百pF。二、输出驱动电路二、输出驱动电路三、三态输出电路三、三态输出电路10/29/20221810/29/202218Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu二

13、、输出驱动电路二、输出驱动电路要求缓冲器有足够大的驱动能力；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。同时缓冲器总延迟时间最小。10/29/20221910/29/202219Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu输出驱动电路输出驱动电路I利用大尺寸反相器提高驱动能力利用大尺寸反相器提高驱动能力10/29/20222010/29/202220Department of Microelectronics,PKUDepartment of M

14、icroelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu大尺寸大尺寸NMOSFET版图版图10/29/20222110/29/202221Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu输出驱动电路输出驱动电路II反相器链，又称超级驱动器，反相器链，又称超级驱动器，superbuffer设计关键：设计关键：驱动负载驱动负载CL需要多少级才能使延迟最小？需要多少级才能使延迟最小？每级反相器的尺寸如何确定？每级反相器的尺寸如何确定？10/

15、29/20222210/29/202222Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu三、三态输出电路三、三态输出电路输出单元除了可以输出输出单元除了可以输出“1”和和“0”的逻辑电平外，还可实现高阻输出。的逻辑电平外，还可实现高阻输出。单元具有三种输出状态。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。高阻状态输出端既没有电流流出，又没有电流流入。10/29/20222310/29/202223Department of Microe

16、lectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuCK1，ZDCK0，Z为高阻态为高阻态10/29/20222410/29/202224Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu同同相相三三态态输输出出单单元元的的版版图图10/29/20222510/29/202225Department of Microelectronics,PKUDepartment of M

17、icroelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第四节第四节双向单元双向单元10/29/20222610/29/202226Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu设计题设计题1，时钟驱动器，时钟驱动器CLKPAD1500Cu500Cu1200Cu750CuCubuffer0buffer1buffer2buffer3buffer4CLK1CLK2CLK3CLK4设计上图的时钟驱动器设计上图的时钟驱动器buffer0bu

18、ffer4的级数和尺寸以满足要求：的级数和尺寸以满足要求：1、CLK1CLK4之间为同相信号之间为同相信号（偶数级反相器）（偶数级反相器）2、CLK1CLK4的上升、下降时间满足的上升、下降时间满足trise和和tfall3、CLK1CLK4之间的歪斜小于之间的歪斜小于50ps并画出并画出buffer2的版图。的版图。说明：说明：V片外输入时钟片外输入时钟CLKns。Cu为为buffer0的第一级的第一级反相器的输入电容，反相器的输入电容，Cu等于标准反相器的等于标准反相器的输入电容。设标准反输入电容。设标准反相器的延迟为相器的延迟为40ps。P阱阱CMOS工艺版图设计规则工艺版图设计规则图图

19、形形设计规则及内容设计规则及内容规则规则（m）原因原因阱阱区区阱的最小宽度阱的最小宽度9保证光刻精度和器件尺寸保证光刻精度和器件尺寸阱间的最小距离阱间的最小距离20防止不同电位阱间干扰防止不同电位阱间干扰有有源源区区最小宽度最小宽度6保证器件尺寸减小窄沟效应保证器件尺寸减小窄沟效应最小间距最小间距6减小寄生效应减小寄生效应阱内阱内n+有源区与阱最小间距有源区与阱最小间距9保证光刻精度和场区尺寸保证光刻精度和场区尺寸阱内阱内p+有源区与阱最小间距有源区与阱最小间距6保证形成良好的阱接触保证形成良好的阱接触阱外阱外n+有源区与阱最小间距有源区与阱最小间距6保证阱和衬底间保证阱和衬底间PN结的特性结

20、的特性阱外阱外p+有源区与阱最小间距有源区与阱最小间距9抑制抑制latch-up多多晶晶硅硅最小线宽最小线宽3保证器件特性、和多晶硅电导保证器件特性、和多晶硅电导最小间距最小间距3防止多晶硅联条防止多晶硅联条硅栅在有源区外的最小露头硅栅在有源区外的最小露头4保证形成完整的保证形成完整的MOSFET硅栅与有源区最小内间距硅栅与有源区最小内间距4保证电流在硅栅内的均匀流动保证电流在硅栅内的均匀流动多晶硅与有源区最小外间距多晶硅与有源区最小外间距2保证沟道区尺寸，防短路保证沟道区尺寸，防短路注入注入对有源区最小覆盖对有源区最小覆盖3保证源漏区能完整地注入保证源漏区能完整地注入对外部有源区最小间距对外

21、部有源区最小间距6防止防止p+区、区、n+区互相影响区互相影响注入区最小宽度注入区最小宽度6保证足够的接触区保证足够的接触区注入区最小间距注入区最小间距3防止互相影响防止互相影响10/29/20223010/29/202230Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu引引线线孔孔引线孔最小面积引线孔最小面积3 3保证孔的形成和良好接触保证孔的形成和良好接触孔间最小间距孔间最小间距3保证良好接触保证良好接触孔距硅栅的最小间距孔距硅栅的最小间距3防止源漏与栅短

22、路防止源漏与栅短路有有源源区区/多多晶晶硅硅对对孔孔的的最最小小覆覆盖盖2防止漏电和短路防止漏电和短路多多晶晶硅硅接接触触孔孔与与有有源源区区的的最最小间距小间距3防止漏电和短路防止漏电和短路10/29/20223110/29/202231Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu金金属属金属引线的最小线宽金属引线的最小线宽3保保证证金金属属线线的的形形成成和和良良好好导电导电引引 线线 最最 小小 间间 距距（线线 宽宽10 m）（线宽（线宽 10 m）36防止金属联条防止金属联条对引线孔的最小覆盖对引线孔的最小覆盖2保证接触和防止断路保证接触和防止断路压焊点面积压焊点面积1102可靠接触可靠接触压焊点间距压焊点间距90可靠接触可靠接触钝钝化化金属对钝化孔的最小覆盖金属对钝化孔的最小覆盖6可靠接触可靠接触