《输入输出缓冲器》PPT课件

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1、1第六章CMOSI/O设计2CMOS集成电路的I/O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3输入缓冲器两方面作用电平转换接口过滤外部信号噪声4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）输入缓冲器逻辑阈值设计求算导电因子比例NMOS管占用大量芯片面积；输入为VIHmin时有静态功耗6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7输入缓冲器

2、：抑制输入噪声用CMOS史密特触发器做输入缓冲器8史密特触发器：输入缓冲器转换电平噪声容限回滞电压9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10NoiseSuppressionusingSchmittTrigger11CMOS集成电路的I/O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12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13输出缓冲器驱动不同负载电

3、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14输出缓冲器逐级增大S倍的反相器链为反相器驱动一个相同反相器负载的延迟时间15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。16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10106.3210010013.651

4、000100019.07100001000024.5917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18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19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20输出缓冲器不同结构输出级MOS管对电路速度的影响21CMOS集成电路的I/O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

5、路6.4三态输出的双向I/O缓冲器22ESD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23ESD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

6、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24输入端ESD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25输入端ESD保护电路双二极管保护电路的版图26输入端ESD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

7、集成电路中常采用的输入缓冲器结构27输入端ESD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28输入端ESD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

8、ESD提供很大的放电电流29输入端ESD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DV-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30ESD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