优化I/O子系统

输入/输出（I/O）子系统负责芯片与外部世界的通信。好的I/O子系统应该具有以下特性：①能驱动大电容的片外信号。②工作电压和其他芯片兼容。③能提供足够的带宽。④限制回转速率（Slew Rate）以控制高频噪声。⑤能提供过电压保护。⑥引脚数量尽可能要少（降低成本）。

I/O pad（压焊块）单元包含一个边长大约是100μm的正方形顶层金属层（用来焊接键合线以连接到管壳）、ESD保护电路和I/O晶体管。

基本I/O pad的种类包括电源pad和地pad、输出pad、输入pad和双向pad。

1.电源pad和地pad单元

电源pad和地pad单元就是简单的正方形顶层金属层，用来连接管壳和芯片内部的电源网络。大多数高性能芯片都使用超过半数的pad作为电源pad和地pad，这样可以承载大电流和提供低电感电源。

2.输出pad单元

输出pad单元必须有足够的驱动能力，以保证能驱动给定的负载电容，并能获得合适的上升时间和下降时间。如果输出pad单元驱动的是电阻性的负载，它必须保证能够提供足够的电流来满足DC变换特性。通常，输出pad单元都要经过额外的缓冲，以减小片内驱动该pad的电路单元所连接的负载电容。闩锁效应在输出pad单元周围特别严重，尤其是当pad的瞬态电压高于V_DD或低于GND时，为避免闩锁效应，NMOS晶体管和PMOS晶体管之间必须拉开相当的距离，并且使用保护环包围起来。

3.输入pad单元(www.xing528.com)

输入pad单元也包含反相器或缓冲器作为pad和内部电路之间的保护层。缓冲器同时也可以起到电平转换和噪声过滤的作用。有些输入pad单元还包含施密特触发器，带施密特触发器的输入pad单元如图4-24所示。施密特触发器具有磁滞效应，当输入为低时，它的阈值点就会上升；当输入为高时，它的阈值点就会降低。如果输入上升得很慢或者噪声很严重，利用这个特性就可以过滤掉毛刺。

图4-24 带施密特触发器的输入pad单元

4.双向pad单元

双向pad单元电路如图4-25所示，包括一个可以变成三态的输出驱动单元和一个输入接受单元。输出驱动单元包含一对独立控制的NMOS晶体管和PMOS晶体管。当使能端为1时，两个MOS晶体管有一个打开，处于ON状态；当使能端为0时，两个MOS晶体管都处于OFF状态，所以双向pad单元处于三态。

图4-25 双向pad单元电路