01

什么是芯片的IO電路？

簡單來說，IO電路其實就是指芯片的信號輸入輸出接口電路，其一般位于芯片版圖的最外圍。IO電路一般有以下幾個功能：

（1）實現電平轉換

（2）提高驅動能力

（3）進行ESD保護

先說電平轉換。芯片內部電路信號的高低電平和外部要求不一致時，這樣通過IO電路可以實現電平的轉換。

再說驅動能力。尤其是數字芯片，一個輸出信號有可能同時有多個扇出，這時候容性負載往往較大，為了使輸出信號的上升下降沿不至于過慢，就要求芯片具備一定的驅動能力。

最后是ESD防護。這是必不可少的一部分。但凡是芯片，在IO電路中都需要增設ESD防護電路，以便芯片在遭受靜電沖擊的時候不至于損壞。

02

IO電路的分類

圖?1?輸入輸出IO的分類

輸入IO比較簡單，根據帶不帶上下拉電阻可以分為兩種。對于一般的輸入IO，其就是反相器構成的BUF。在沒有激勵信號輸入時，帶上拉電阻可以使輸入保持為默認的高，帶下拉電阻可以使輸入保持默認的低。由于上下拉通常都是弱上拉或弱下拉，因此當有外部激勵輸入時，上下拉電阻并不影響信號輸入。

輸出IO基本分為三種。

第一種是推挽輸出結構。推挽輸出就是常見的反相器結構，不必多說。

第二種是OC/OD輸出結構。其為集電極開路/漏極開路輸出，電路如下圖所示。顯然這種結構是沒法直接傳輸高電平的，系統應用時必須要在開路端增加上拉電阻。

圖?2 OC/OD輸出

OC/OD輸出結構具有以下特點：

（1）很方便地調節輸出的高電平，可以進行靈活的電平轉換；

（2）可以實現"線與"功能；

（3）帶來上升沿的延時問題（和外部R大小選擇有關）

第三種是三態輸出結構。如下圖所示，相對于一般門只有0和1兩種狀態，三態門多出了一個高阻狀態。同時，三態門還有單向三態門和雙向三態門之分。

圖?3?三態輸出結構（圖片侵權刪）

高阻態時輸出電阻很大，相當于開路，相當于該門與和它連接的電路處于斷開的狀態。因此三態門可以說是一種擴展邏輯功能的輸出級，可以作為控制開關使用。該種結構通常可用于總線的連接，因為總線只允許同時只有一個使用者。通常在數據總線上接有多個器件，每個器件通過OE/CE之類的信號選通。如器件沒有選通的話它就處于高阻態，相當于沒有接在總線上，不影響其它器件的工作。

03

IO電路都有哪些參數？

IO電路主要參數如下圖所示。

圖?4 IO參數匯總

04

IO電路設計的難點或關鍵點是什么？

其實IO電路本身的原理是很簡單的，但在IO電路的設計過程中，需要考慮地彈的影響，而地彈的優化正是IO電路設計的難點。

那么什么是所謂“地彈”呢？百度百科解釋如下：

“地彈”，是指芯片內部“地”電平相對于電路板“地”電平的變化現象。以電路板“地”為參考，就像是芯片內部的“地”電平不斷的跳動，因此形象的稱之為地彈（ground bounce）。

“地彈”是怎么形成的呢？地彈是由管殼寄生的L引起的。如下圖所示，我們先看左圖，不考慮管殼寄生L，芯片地認為就是理想的地。再看右圖實際上芯片地和外部PCB地——認為理想地之間存在寄生的L，當反相器動態工作時，瞬態電流的變化會在L上產生感應電動勢，所以就可以看到芯片地的彈動是多么的歡快了。

圖?5?地彈形成原理圖

說“地彈”會帶來麻煩，具體是指什么呢？地彈會造成IO電路對外部輸入高低電平的不正確判斷。這可是個嚴重的問題：你想呀，對于CMOS電平標準，給芯片2.0V輸入，IO應該識別為高，輸出1的，那如果芯片識別成0會怎么樣呢？更嚴重的是或許會識別成一會0一會1的擾動信號。這不用說，當然是嚴重的功能性故障了。

所以我們需要做的就是：保證在地彈環境下IO電路能正確識別外部輸入的高低電平，這其實就是要保證VIH/VIL在地彈環境下滿足手冊指標要求。

05

搭建地彈仿真環境的注意事項

IO頂層電路地彈仿真環境的搭建需要注意以下幾點：

6

地彈環境下VIH/VIL測量方法

仿真測量方法可以有兩種，都可以通過寫公式的辦法自動計算。第一種是給輸入施加斜坡信號。具體參考下圖：

圖?6?輸入斜坡信號時的方法

輸入IO第一次誤翻轉時對應的輸入斜坡值為VIL，輸入IO最后一次誤翻轉時對應的輸入斜坡值為VIH。需要注意的是斜坡信號必須足夠緩慢才能得到準確的測量值，這里有一個經驗設定：斜率K=10mV/2T，T為翻轉周期，即兩個翻轉周期的時間斜坡變化量為10mV。斜率當然越小越準確，但相應的仿真時間也會越長。

還有第二種方法是采用臺階信號，具體如下圖：

圖?7?輸入臺階信號時的方法

使用這種辦法，輸入IO第一次誤翻轉時對應的臺階的前一階的值為VIL，輸入IO最后一次誤翻轉時對應臺階的后一階的值為VIH。需要注意的是臺階信號的步長必須足夠小才能得到準確的測量值，這里有一個經驗設定：STEP=10mV/2T，T為翻轉周期，即兩個翻轉周期的時間增一個臺階，變化量為10mV。10mV的誤差量是可以接受的，步長當然越小越準確，但相應的仿真時間也會越長。

這兩種方法都可以得到基本一致的結果，第一種方法要得到準確的測量結果勢必要降低斜率，這會帶來仿真時間的增加。其實在PVT仿真時比較推薦第二種方法，因為可以采用一個取巧但又不失準確度的的辦法：可以省卻中間的部分的臺階，只保留兩頭的臺階。因為通常PVT仿真時VIH或VIL的最小最大值肯定是落在兩頭的臺階范圍內的，這樣可以進行有效的仿真加速！

審核編輯：黃飛