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1、数字集成电路基本单元及版图数字集成电路基本单元及版图(续续)第第八章八章 数字集成电路基本单元及版图数字集成电路基本单元及版图8.8.焊盘输入焊盘输入/输出单元输出单元n输入单元输入单元n输出单元输出单元n输入输入/输出双向三态单元输出双向三态单元9.CMOS9.CMOS存储器存储器nDRAMDRAMnSRAMSRAMn闪存闪存8.8.焊盘输入焊盘输入/输出单元输出单元 任何一种设计技术的版图结构都需要焊任何一种设计技术的版图结构都需要焊盘输入盘输入/输出单元（输出单元（I/OPAD）。）。不论门阵列、标准单元结构还是积木块不论门阵列、标准单元结构还是积木块结构，它们的结构，它们的I/OPAD
2、都是以标准单元的都是以标准单元的结构形式出现，各单元的电源、地线的宽度结构形式出现，各单元的电源、地线的宽度和相对位置是统一的。和相对位置是统一的。焊盘输入焊盘输入/输出单元属于标准单元的范输出单元属于标准单元的范畴，是标准单元库的内容之一。畴，是标准单元库的内容之一。焊盘输入焊盘输入/输出单元输出单元包括：包括：n焊盘（焊盘（PAD）n具有其他功能具有其他功能n对外驱动对外驱动n内外的隔离内外的隔离n输入保护输入保护n其他接口功能其他接口功能焊盘输入焊盘输入/输出单元分类输出单元分类n输入单元输入单元n输出单元输出单元n输入输入/输出双向三态单元输出双向三态单元输入单元输入单元 输入单元输入
3、单元主要承担对内部电路的主要承担对内部电路的保护，一般认为外部信号的驱动能力保护，一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单元不必具备再驱动功足够大，输入单元不必具备再驱动功能。能。输入单元输入单元的结构主要是输入保护的结构主要是输入保护电路。电路。输入单元保护电路输入单元保护电路 由于由于MOS器件是电压控制型器件，器件是电压控制型器件，栅极感应的电荷无法很快地释放。一旦栅极感应的电荷无法很快地释放。一旦电荷超过栅氧化层的击穿极限，则将发电荷超过栅氧化层的击穿极限，则将发生栅击穿，生栅击穿，MOS器件失效。器件失效。为了防止器件被击穿，必须为这些为了防止器件被击穿，必须为这些电荷提供释放回路，
4、这就是输入保护电电荷提供释放回路，这就是输入保护电路。路。输入保护电路输入保护电路 输入保护电路分为单二极管、电阻结构和输入保护电路分为单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构。双二极管、电阻结构。双二极管、电阻结构双二极管、电阻结构单二极管、电阻结构单二极管、电阻结构输出单元输出单元 输出单元输出单元的主要任务是提供一定的的主要任务是提供一定的驱动能力，防止内部逻辑过负荷而损坏。驱动能力，防止内部逻辑过负荷而损坏。输出单元输出单元还承担了一定的逻辑功能，还承担了一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作性。与输入电路单元具有一定的可操作性。与输入电路相比，输出单元的电路形式比较多。相比，输出单元的电
5、路形式比较多。输出单元类型输出单元类型包括：包括：n反相输出反相输出I/O PADn同相输出同相输出I/O PADn三态输出三态输出I/O PADn漏极开路输出单元漏极开路输出单元反相输出反相输出 I/OI/OPADPAD 顾名思义，反相输出就是内部信号经顾名思义，反相输出就是内部信号经反相后输出。这个反相器除了完成反相的反相后输出。这个反相器除了完成反相的功能外，另一个主要作用是提供一定的驱功能外，另一个主要作用是提供一定的驱动能力。动能力。反相输出反相输出 I/OI/OPADPAD设计设计设计考虑：设计考虑：nPMOS和和NMOS尺寸要足够大尺寸要足够大nPMOS尺寸要比尺寸要比NMOS尺
6、寸大尺寸大2.5倍倍n驱动能力要求大时要采用级联结构，即驱动能力要求大时要采用级联结构，即多个反相器串联多个反相器串联n版图优化（多晶硅、隔离环、金属等）版图优化（多晶硅、隔离环、金属等）采用级联结构，总延迟时间采用级联结构，总延迟时间前级驱动能力f为反相器链的逐为反相器链的逐级放大倍速，级放大倍速，f=e时时ttotal最小最小同相输出同相输出 I/OI/OPADPAD 同相输出实际上就是同相输出实际上就是“反相反相反相反相”，为什么不直接从内部电路直接输出呢？，为什么不直接从内部电路直接输出呢？主要是主要是驱动能力问题驱动能力问题。利用链式结构可以大大地减小内部负利用链式结构可以大大地减小
7、内部负荷。即内部电路驱动一个较小尺寸的反相荷。即内部电路驱动一个较小尺寸的反相器，这个反相器再驱动大的反相器，在同器，这个反相器再驱动大的反相器，在同样的内部电路驱动能力下才能获得较大的样的内部电路驱动能力下才能获得较大的外部驱动。外部驱动。三态输出三态输出 I/OI/OPADPAD 所谓三态输出是指单元除了可以输出所谓三态输出是指单元除了可以输出“0”0”，“1”1”逻辑外，还可高阻输出，即单元具有三逻辑外，还可高阻输出，即单元具有三种输出状态。种输出状态。同样，三态输出的正常逻辑信号也可分为同样，三态输出的正常逻辑信号也可分为反相输出和同相输出。下图是同相三态输出的反相输出和同相输出。下图
8、是同相三态输出的电路单元的结构图。电路单元的结构图。漏极开路输出单元漏极开路输出单元 如果希望系统支持多个集成电路的正常逻如果希望系统支持多个集成电路的正常逻辑输出同时到总线以实现某种操作，就必须对集辑输出同时到总线以实现某种操作，就必须对集成电路的输出单元进行特殊的设计以支持成电路的输出单元进行特殊的设计以支持“线逻线逻辑辑”。同时，总线也将做适当的改变。同时，总线也将做适当的改变。漏极开路输出单元结构就是其中的一种。下漏极开路输出单元结构就是其中的一种。下图给出了两种漏极开路结构的输出单元，其中图给出了两种漏极开路结构的输出单元，其中（a）图的内部控制信号是通过反相器反相控制图的内部控制信
9、号是通过反相器反相控制NMOS管工作的方式，（管工作的方式，（b）图是同相控制的方图是同相控制的方式。式。漏极开路输出单元（a）反相器反相控制方式）反相器反相控制方式（b）同相控制的方式）同相控制的方式漏极开路结构实现的线逻辑表达式为目的：目的：减少电减少电路结构和成本路结构和成本输入、输出双向三态单元（输入、输出双向三态单元（I/O PADI/O PAD）在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输出的功能，或者还要求单元具有高阻状态。在总线结构的出的功能，或者还要求单元具有高阻状态。在总线结构的电子系统中使用的集成电路常常要求这种电子系统中使
10、用的集成电路常常要求这种I/OPAD。下下图是一个输入、输出双向三态的图是一个输入、输出双向三态的I/OPAD单元电路。单元电路。9.CMOS9.CMOS存储器存储器 半导体存储阵列能够存储大量的数半导体存储阵列能够存储大量的数字信息，对所有的数字系统都是必不可字信息，对所有的数字系统都是必不可少的。少的。对片上存储数据量增加的不断需求对片上存储数据量增加的不断需求使得单片半导体存储阵列的最大存储能使得单片半导体存储阵列的最大存储能力每两年翻一番。片上存储阵列已成为力每两年翻一番。片上存储阵列已成为众多超大规模集成电路中广泛使用的子众多超大规模集成电路中广泛使用的子系统。系统。半导体存储器分类
11、半导体存储器分类随机存储器随机存储器RAM（Random Access Memory）按按功功能能只读存储器只读存储器ROM（Read-Only Memory）只能读出不能只能读出不能写入写入,断电不失断电不失掩模掩模ROM可编程可编程ROM（PROM）(Programmable ROM)ROMEPROMEEPROMFlash Memory电可擦除电可擦除(Electrically)紫外线擦除紫外线擦除(Ultra-Violet)快闪存储器快闪存储器熔丝型熔丝型ROM铁电铁电RAM半导体存储器分类半导体存储器分类静态存储器静态存储器SRAM(Static RAM)动态存储器动态存储器DRAM(
12、Dynamic RAM)主要指标：主要指标：存储容量、存取速度。存储容量、存取速度。存存储储容容量量:用用字字数数位位数数表表示示，也也可可只只用用位位数数表表示。如，某动态存储器的容量为示。如，某动态存储器的容量为109位位/片。片。RAM 存存取取速速度度：用用完完成成一一次次存存取取所所需需的的时时间间表表示示。高速存储器的存取时间仅有高速存储器的存取时间仅有10ns左右。左右。存储单元的等效电路（存储单元的等效电路（1）存储单元的等效电路（存储单元的等效电路（2）DRAM 随着高密度存储器的不断发展，存随着高密度存储器的不断发展，存储单元尺寸逐渐减小，这种趋势使得结储单元尺寸逐渐减小，
13、这种趋势使得结构简单的动态构简单的动态RAM成为首选。成为首选。DRAM单元发展过程中出现几个阶单元发展过程中出现几个阶段，这些阶段的发展使得段，这些阶段的发展使得DRAM的单元的单元面积越来越小。面积越来越小。DRAMDRAMSRAM 如果存储的数据可以长期保存（只要如果存储的数据可以长期保存（只要提供足够的电源电压）而不需要任何周提供足够的电源电压）而不需要任何周期性的刷新操作，那么称这种存储电路期性的刷新操作，那么称这种存储电路是静态的。是静态的。静态存储器具有极高的存储速度，静态存储器具有极高的存储速度，单位面积内具有较低的存储密度，所以，单位面积内具有较低的存储密度，所以，它一般用于
14、对存取速度要求较高，存储它一般用于对存取速度要求较高，存储容量不太大的场合。容量不太大的场合。SRAM单元结构 数据存储单元（即数据存储单元（即1位存储单元）总是由具有两个位存储单元）总是由具有两个稳定工作点（状态）的简单锁存电路构成稳定工作点（状态）的简单锁存电路构成。SRAM单元结构闪存Flash Memory 闪存闪存电路单元是由一个带浮栅的晶体管构成的，通过电路单元是由一个带浮栅的晶体管构成的，通过沉积在衬底上被场氧化物包围的多晶硅浮空栅来保存电荷，沉积在衬底上被场氧化物包围的多晶硅浮空栅来保存电荷，维持衬底上源极维持衬底上源极S和漏极和漏极D之间的导电状态，从而保持存储之间的导电状态
15、，从而保持存储在其上的信息。它有两种稳定状态，即在其上的信息。它有两种稳定状态，即“0”态和态和“1”态。态。若浮空栅中的电子聚集时，存储单元的阈值电压升高，习惯若浮空栅中的电子聚集时，存储单元的阈值电压升高，习惯认为该单元存储的为认为该单元存储的为“1”信息，存储单元的晶体管并不导信息，存储单元的晶体管并不导通；反之，浮空栅上没有电荷存在，则存储单元的晶体管导通；反之，浮空栅上没有电荷存在，则存储单元的晶体管导通，该单元存储的为通，该单元存储的为“0”信息。信息。当然，这两种稳定状态在一定条件下可以相互转换，从当然，这两种稳定状态在一定条件下可以相互转换，从而保证对信息的可靠的读写操作。而保证对信息的可靠的读写操作。这通过沟道热电子注入这通过沟道热电子注入或或Fowler-Nordheim隧穿机理向隧穿机理向MOS晶体管的浮栅存储晶体管的浮栅存储或释放电子。或释放电子。闪存单元和阵列(a)Flash 存储体结构图及逻辑符号 (b)Flash存储阵列图作业1 1，2 2，4 4下次课：下次课：第九章第九章 模拟集成电路基本单元（书模拟集成电路基本单元（书上第八章）上第八章）Thanks！Question？