芯片IO缓冲及ESD设计
芯片设计常用io口和esd器件
芯片设计常用io口和esd器件随着科技的飞速发展，芯片设计在各领域中的应用越来越广泛。
芯片的性能、稳定性与可靠性在很大程度上取决于其输入输出端口（io口）以及ESD （静电放电）器件的选用。
本文将详细介绍芯片设计中io口与ESD器件的相关知识，以帮助大家更好地了解其在芯片设计中的重要性。
一、引言芯片设计作为现代电子产品的核心，其性能、稳定性与可靠性至关重要。
在实际应用中，io口与ESD器件对于芯片的正常工作具有不言而喻的重要性。
合理的io口设计可以提高芯片的传输效率，而ESD器件则能有效保护芯片免受静电放电等外部因素造成的损害。
二、io口的分类与功能io口是芯片与外部电路进行信息交互的通道，根据功能可分为输入、输出、双向等。
1.输入口：负责接收外部信号，如键盘、传感器等设备的输出信号。
2.输出口：负责输出芯片处理后的信号，如控制电机、显示设备等。
3.双向口：既能输入又能输出，可在不同工作阶段实现数据的双向传输。
三、ESD器件的作用与分类ESD（静电放电）器件是用于保护芯片免受静电放电损害的防护元件。
静电放电产生的高电压、大电流可能导致芯片内部电路损坏，严重影响芯片的正常工作。
ESD器件能在静电放电发生时，将电压、电流引导至地面，保护芯片免受损害。
根据防护方式，ESD器件可分为：1.串联型：串联在电路中，降低静电放电电压，限制电流。
2.并联型：并联在电路中，增大电流容量，吸收静电能量。
四、选用ESD器件的注意事项1.匹配电压：选用ESD器件时，需确保其额定电压大于电路工作电压，以保证有效防护。
2.匹配电流：根据电路的最大电流选用相应电流容值的ESD器件。
3.防护等级：根据实际应用场景，选择合适的防护等级。
如汽车电子、医疗设备等领域，防护等级要求较高。
五、芯片设计中io口与ESD器件的实战应用案例1.嵌入式系统设计：在嵌入式系统中，合理选用io口和ESD器件，可提高系统的稳定性和可靠性。
如采用双向口实现串口通信，同时配置合适的ESD 器件，保护芯片免受静电放电损害。
集成电路版图设计项目教程 项目9 IO与ESD版图设计
任务9.2 ESD版图
（2）ESD介绍
P
二极管的ESD版图
对于N阱CMOS工艺来说，在P型衬底上做N型掺杂
N
的的二极管形成ESD防护器件。将二极管做成环形
结构，用环形的接触孔与P型衬底相连，N型掺杂
区通过接触孔形成一个四方形状，被环形的P型衬
底接触包围。 P
N
I/O
P
N
Pad
2022/3/19
项目9 IO与ESD版图设计
GDPMOS类似于GGNMOS，如图所示。PMOS管的漏极接I/O口和Pad，栅极、源极和衬底短接至电源 （VDD），因此GDNMOS二极管由栅源相接的NMOS二极管组成。
I/O Pad
NMOS Pad
PMOS
2022/3/19
GGNMOS
GDPMOS
项目9 IO与ESD版图设计
任务9.2 ESD版图
项目9 IO与ESD版图设计
一
Pad版图设计
芯片设计中的ESD保护设计要点有哪些
芯片设计中的ESD保护设计要点有哪些在当今高度数字化的时代，芯片作为电子设备的核心组件，其性能和可靠性至关重要。
静电放电（ESD）是导致芯片失效的常见原因之一，因此在芯片设计中，ESD 保护设计成为了不可或缺的环节。
本文将详细探讨芯片设计中 ESD 保护设计的要点。
首先，我们要了解 ESD 现象对芯片造成的危害。
ESD 是指静电荷在不同电位物体之间的快速转移，这种瞬间的高电流和高电压脉冲可能会损坏芯片内部的敏感电路，如晶体管的栅极氧化层、PN 结等，从而导致芯片功能失常甚至完全失效。
那么，在芯片设计中，有哪些关键的 ESD 保护设计要点呢？其一，合理的版图布局是基础。
在芯片版图设计中，应将 ESD 保护器件尽可能靠近芯片的输入输出引脚放置，以缩短 ESD 电流的泄放路径，减少其在芯片内部传播所造成的损害。
同时，要注意避免在敏感电路区域附近布置容易引发 ESD 问题的结构。
其二，选择合适的 ESD 保护器件至关重要。
常见的 ESD 保护器件包括二极管、MOS 管、可控硅（SCR）等。
二极管结构简单，但其能承受的 ESD 电流相对较小。
MOS 管具有较好的性能，但面积较大。
SCR 在承受高 ESD 电流方面表现出色，但触发电压的控制需要精心设计。
设计师需要根据芯片的具体应用场景和性能要求，综合考虑选择合适的保护器件。
其三，优化 ESD 保护电路的参数。
例如，确定保护器件的尺寸、栅极长度、掺杂浓度等，以确保在 ESD 事件发生时，能够快速、有效地泄放电流，同时又不会对正常的芯片工作造成过大的影响。
其四，考虑芯片的工作电压和速度要求。
不同的工作电压和速度会影响 ESD 保护电路的设计。
对于低电压、高速的芯片，需要采用特殊的 ESD 保护技术，以满足其性能要求。
其五，进行全面的仿真和验证。
通过仿真工具，模拟 ESD 事件发生时芯片内部的电流、电压分布情况，评估 ESD 保护设计的效果，并根据仿真结果进行优化调整。
MOS芯片的ESD保护电路设计
MOS芯片的ESD保护电路设计ESD（Electrostatic Discharge）保护电路是在MOS芯片设计中非常重要的一部分，其主要作用是保护芯片免受静电放电和其他电压干扰引起的损坏。
在设计ESD保护电路时，需要考虑静电放电的强度、放电路径、放电时间以及芯片的特性。
本文将详细介绍MOS芯片的ESD保护电路设计。
首先，设计ESD保护电路需要了解芯片的工作电压范围和工作环境。
这些参数将决定所需的ESD保护等级和保护电路的设计方案。
通常，ESD保护电路需要满足以下几个基本要求：1.渠道长度匹配：ESD保护电路通常需要使用多个MOS管来承受ESD电流。
为了提高保护效果，这些MOS管的渠道长度应该尽量相等，以保证它们可以均匀分担ESD电流。
在设计过程中，可以采用各种技术来实现渠道长度匹配，例如采用仿射布局或者通过电路设计巧妙应用。
2.延迟时间：ESD保护电路需要尽快响应ESD事件，并将电压降低到安全的范围内。
因此，保护电路的响应时间应该尽量短，以确保芯片能够在ESD事件发生时快速响应，避免损坏。
延迟时间通常可以通过选择合适的电阻和电容参数来调整。
3.低电压降：在ESD事件中，保护电路需要将电压降低到芯片所能接受的安全范围内，以避免芯片受损。
为了实现低电压降，通常会采用多级级联的保护结构，通过分级响应来降低电压。
此外，选择合适的电阻和电容参数也可以帮助减小电压降。
4.高可靠性：ESD保护电路需要能够经受多次击打，无损耗或自愈。
因此，在设计中需要使用具有较高可靠性的器件和元件。
例如，可以采用具有低漏电流和高耐压能力的二极管、MOSFET等元件。
在具体的ESD保护电路设计中，常用的保护结构包括二极管保护、级联保护和母线保护等。
例如，二极管保护方法主要通过将二极管连接在输入和输出之间来分散ESD放电能量，以提供保护。
级联保护方法则通过将多个保护器件级联并设置适当的门控电压来提高保护效果。
除了以上核心的保护电路设计，还可以采取一些其他的措施来增强芯片的ESD保护能力。
芯片设计常用io口和esd器件
芯片设计常用io口和esd器件（原创版）目录1.芯片设计中的 io 口1.1 io 口的定义与作用1.2 io 口的分类1.3 io 口的保护措施2.ESD 器件在芯片设计中的应用2.1 ESD 器件的定义与作用2.2 ESD 器件的分类与性能参数2.3 ESD 器件在芯片设计中的实践应用正文1.芯片设计中的 io 口1.1 io 口的定义与作用在芯片设计中，io 口（输入/输出端口）是指芯片内部电路与外部设备进行数据传输的接口。
io 口分为输入端口和输出端口，分别用于接收外部设备发送的数据和向外部设备发送数据。
io 口在芯片设计中起着至关重要的作用，它们决定了芯片与外部设备之间的数据传输速度、稳定性和兼容性。
1.2 io 口的分类根据 io 口的功能与特性，可以将其分为以下几类：1.数字 io 口：用于传输数字信号，如高/低电平信号。
2.模拟 io 口：用于传输模拟信号，如连续变化的电压或电流信号。
3.并行 io 口：用于同时传输多个位的数据，可以提高数据传输速度。
4.串行 io 口：用于逐位传输数据，可以降低数据传输线的数量，节省芯片面积。
5.高速 io 口：具有较高的数据传输速度，适用于高速数据通信场景。
6.低速 io 口：具有较低的数据传输速度，适用于低速数据通信场景。
1.3 io 口的保护措施为了保护 io 口免受潜在的损坏，需要在芯片设计中采取一定的保护措施。
这些措施包括：1.限流电阻：限制 io 口输入电流，防止过流损坏。
2.钳位二极管：限制 io 口电压，防止过压损坏。
3.上拉电阻：在 io 口输出端添加上拉电阻，使 io 口在无驱动信号时处于高电平状态。
4.下拉电阻：在 io 口输出端添加下拉电阻，使 io 口在无驱动信号时处于低电平状态。
5.保护二极管：限制 io 口电压，防止反向电压损坏。
2.ESD 器件在芯片设计中的应用2.1 ESD 器件的定义与作用ESD（Electrostatic Discharge）器件，即静电放电保护器件，是一种用于防止静电放电对芯片造成损害的元器件。
芯片设计常用io口和esd器件
芯片设计常用io口和esd器件
摘要：
1.芯片设计中IO 口的作用
2.IO 口的选择和设计要点
3.ESD 器件在芯片设计中的重要性
4.ESD 器件的分类和应用
5.如何选择合适的ESD 器件
6.总结
正文：
芯片设计是现代电子技术中的重要领域，其中IO 口和ESD 器件是关键组成部分。
IO 口用于芯片与外部设备之间的数据传输和通信，而ESD 器件则用于保护芯片免受静电放电的损害。
本文将详细介绍这两个组件的作用、选择和设计要点。
首先，让我们了解IO 口在芯片设计中的作用。
IO 口是芯片与外部设备进行数据交换的通道，负责输入输出信号的传输。
它的设计和性能直接影响到整个系统的性能和稳定性。
在选择和设计IO 口时，需要考虑信号完整性、驱动能力、抗干扰能力等因素。
接下来，我们关注ESD 器件在芯片设计中的重要性。
静电放电（ESD）可能导致芯片内部逻辑损伤、性能下降，甚至无法工作。
使用ESD 器件可以有效地限制ESD 事件对芯片的影响，保护芯片免受损坏。
ESD 器件主要分为四类：TVS 二极管、MOV 压敏电阻、ESD 保护器件
和陶瓷放电管。
其中，TVS 二极管和MOV 压敏电阻是常见的ESD 保护器件，分别具有响应速度快和电容值低的特点。
在选择合适的ESD 器件时，需要根据实际应用场景和ESD 保护需求进行评估。
总之，芯片设计中的IO 口和ESD 器件都具有重要作用。
IO 口的设计影响着芯片与外部设备的通信性能，而ESD 器件则保护芯片免受静电放电的损害。
芯片IO缓冲和ESD设计
芯片I/O缓冲及ESD电路设计摘要：文章详细介绍了基于C MOS的芯片I/O缓冲电路分类，功能，电路及版图设计的一些考虑以及芯片引脚的静电保护问题。
关键词：I/O；缓冲电路；静电保护；CMOS针对引脚的输入输出缓冲（I/O buffer）电路设计，也可以称为输入输出接口（I/O interface）电路设计，是一颗完整芯片设计中不可或缺的组成部分，但是详细论述其设计规则的文章或者著作在国内却比较鲜见，这对初学者或者没有这方面经验的工程师无疑会造成困惑。
本文以CMOS工艺为例，较全面的论述I/O缓冲电路设计中各种考虑，可以作为芯片引脚输入输出电路设计的一个参考。
根据I/O缓冲电路应用目标的不同，可将其分为输入、输出等几类，详见表1。
表1 I/O缓冲电路的分类输出缓冲（是个大驱动器，他将信号输出芯片）输出缓冲电路的功能要求能够驱动大的片外负载，通常为2～50pF，并且提供适当的上升/下降时间。
一组连续的大尺寸的缓冲器（buffer）对驱动能力的提高是有益的。
大尺寸的管子容易受闩锁效应(latch-up)的影响，在版图设计时建议采用保护环(Guardrings)保护以避免闩锁效应，如图1-1所示。
在图中，用P+作为内保护环，而N+作为外保护环(In n-well)。
图1-1缓冲器一种常见的输出电路如图1-2所示，En是输出电路的使能信号，Dout是输出数据，MOS管组合的功能如图中所示。
当En为低而Dout有效时，A、B均为高电平，输出Y为低，且由外向里看为高阻抗状态，如果Dout未定，则Y为高阻。
需要注意的是，最后输出级的管子尺寸要大到能够提供足够的电流源或电流沉并且减少延迟时间。
其负面影响是电流变化率（di/dt）变大而使穿过输出点到封装的压焊线上的L（di/dt）噪声增大，从而导致较大的片上噪声。
图1-2常用的输出缓冲电路在高性能的芯片中，如32位的微处理器，如果多个I/O输出驱动电路工作状态相似时，L(di/dt)噪声可能逐步增强，会影响芯片速度。
芯片设计常用io口和esd器件
芯片设计常用io口和esd器件随着科技的飞速发展，芯片设计在各类电子产品中的应用越来越广泛。
在芯片设计中，IO口和ESD（静电放电）器件是至关重要的组成部分。
本文将简要介绍芯片设计中IO口和ESD器件的相关知识，并探讨如何选择与应用这些器件以防止静电放电造成的损坏。
一、芯片设计中的IO口概述IO口（Input/Output Port）是芯片与外部设备进行数据交互的通道。
在芯片设计中，IO口可以分为输入端和输出端。
输入端负责接收外部信号，输出端则负责将芯片内部处理后的信号传输至外部设备。
IO口在芯片设计中有着广泛的应用，如存储器接口、串行通信接口、并行通信接口等。
二、ESD器件的作用和分类ESD（Electrostatic Discharge）器件是用于保护芯片免受静电放电损害的防护器件。
静电放电会导致芯片内部电路损坏，影响产品的正常使用。
ESD 器件的作用就是在静电放电发生时，通过限制电压和电流的流动，保护芯片免受损害。
根据工作原理，ESD器件可分为以下几类：s二极管：瞬态电压抑制二极管，能迅速吸收和抑制静电放电产生的高电压。
2.压敏电阻：当电压超过一定范围时，电阻值迅速降低，将静电能量导入地线。
3.陶瓷气体放电管：利用气体放电原理，将静电能量转化为热能释放。
4.金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）：利用MOSFET的寄生电容，实现对静电放电的抑制。
三、IO口和ESD器件的选择与应用1.根据工作电压和电流选择合适的ESD器件：不同类型的ESD器件适用于不同电压和电流范围，需根据实际应用场景进行选择。
2.考虑防护等级：根据芯片所承受的静电放电电压和防护等级要求，选择相应防护等级的ESD器件。
3.匹配传输速率：高速信号传输时，需选用具有较高传输速率的ESD器件。
4.考虑空间和成本因素：在满足防护性能的前提下，选择体积小、成本低的ESD器件。
四、防止ESD损坏的注意事项1.设计合理的电路布局：合理规划芯片布局，降低静电放电路径。
ESD保护结构设计
ESD保护结构设计静电放电会给电子器件带来破坏性的后果,它是造成集成电路失效的主要原因之一。
随着集成电路工艺不断发展,CMOS电路的特征尺寸不断缩小,管子的栅氧厚度越来越薄,芯片的面积规模越来越大,MOS管能承受的电流和电压也越来越小,而外围的使用环境并未改变,因此要进一步优化电路的抗ESD性能,如何使全芯片有效面积尽可能小、ESD性能可靠性满足要求且不需要增加额外的工艺步骤成为IC设计者主要考虑的问题。
ESD保护原理ESD保护电路的设计目的就是要避免工作电路成为ESD的放电通路而遭到损害,保证在任意两芯片引脚之间发生的ESD,都有适合的低阻旁路将ESD电流引入电源线。
这个低阻旁路不但要能吸收ESD电流,还要能箝位工作电路的电压,防止工作电路由于电压过载而受损。
在电路正常工作时,抗静电结构是不工作的,这使ESD保护电路还需要有很好的工作稳定性,能在ESD发生时快速响应,在保护电路的同时,抗静电结构自身不能被损坏,抗静电结构的负作用(例如输入延迟)必须在可以接受的范围内,并防止抗静电结构发生闩锁。
CMOS电路ESD保护结构的设计大部分的ESD电流来自电路外部,因此ESD保护电路一般设计在PAD 旁,I/O电路内部。
典型的I/O电路由输出驱动和输入接收器两部分组成。
ESD通过PAD导入芯片内部,因此I/O里所有与PAD直接相连的器件都需要建立与之平行的ESD低阻旁路,将ESD电流引入电压线,再由电压线分布到芯片各个管脚,降低ESD的影响。
具体到I/O电路,就是与PAD相连的输出驱动和输入接收器,必须保证在ESD发生时,形成与保护电路并行的低阻通路,旁路ESD电流,且能立即有效地箝位保护电路电压。
而在这两部分正常工作时,不影响电路的正常工作。
常用的ESD保护器件有电阻、二极管、双极性晶体管、MOS管、可控硅等。
由于MOS管与CMOS 工艺兼容性好,因此常采用MOS管构造保护电路。
CMOS工艺条件下的NMOS管有一个横向寄生n-p-n(源极-p型衬底-漏极)晶体管,这个寄生的晶体管开启时能吸收大量的电流。
CMOS 电路中ESD 保护结构的设计
CMOS电路中ESD保护结构的设计作者 王大睿上海交通大学 微电子工程系摘 要：本文研究了在CMOS 工艺中I/O 电路的 ESD保护结构设计以及相关版图的要求，其中重点讨论了PAD到VSS电流通路的建立。
关键词：ESD保护电路，ESD设计窗口，ESD 电流通路Construction Strategy of ESD Protection Circuit Abstract：The principles used to construct ESD protection on circuits and the basic concept ions of ESD protection design are presented.Key words：ESD protection/On circuit, ESD design window, ESD current path1引言静电放电（ESD，Electrostatic Discharge）给电子器件环境会带来破坏性的后果。
它是造成集成电路失效的主要原因之一。
随着集成电路工艺不断发展，互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor）的特征尺寸不断缩小，金属氧化物半导体(MOS, Metal-Oxide Semiconductor)的栅氧厚度越来越薄，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，因此要进一步优化电路的抗ESD性能，需要从全芯片ESD保护结构的设计来进行考虑。
2ESD的测试方法ESD模型常见的有三种，人体模型（HBM ，Human Body Model)、充电器件模型(CDM，Charge Device Model)和机器模型(MM，Machine Mode)，其中以人体模型最为通行。
一般的商用芯片，要求能够通过2kV静电电压的HBM检测。
对于HBM放电，其电流可在几百纳秒内达到几安培，足以损坏芯片内部的电路。
实用ESD防护设计方法.
实用ESD防护设计方法陆健赵健徐佰新无锡华润矽科微电子有限公司论文摘要：本文就芯片设计中I/O口静电放电(Electrostatic Discharge, ESD)保护器件设计方法，在某一ESD失效模式下端口间ESD防护解决办法，及某些特殊内部结构制约整个电路ESD水平的解决办法；并介绍了一些新的射频电路ESD 保护结构,对如何提高芯片整体ESD性能作了一定的实际研究与总结, 在整体把握电路的ESD水平上给出一点启示。
1.引言静电在芯片的制造、封装、测试和使用过程中无处不在，积累的静电荷以几安培或几十安培的电流在纳秒到微秒的时间里释放，瞬间功率高达几百千瓦，放电能量可达毫焦耳，对芯片的摧毁强度极大。
所以芯片设计中静电保护模块的设计直接关系到芯片的功能稳定性，极为重要。
芯片的抗ESD能力是可靠性方面的一个非常重要的因素，电路的整体ESD能力有时往往是客户接受产品的一个非常重要的门坎，对于版图设计人员来说，如何整体把握电路ESD能力已是迫在眉睫，而非单单某些PIN的ESD能力提高。
一直以来，人们对电路的ESD保护都重点放在了I/O口处的ESD保护结构上，不遗余力的对其进行优化改进。
这种优化措施对有的电路的ESD保护有很大帮助，但是对有的电路却没什么效果。
针对这些优化ESD保护结构后仍旧没有改进的电路，我们进行了深入分析和大量讨论，发现电路的ESD特性不仅与电路中的ESD保护结构有关，还与电路内部结构有很大的关系。
ESD防护电路的安排必须全方位地考虑到ESD测试的各种组合，因为一颗IC的ESD 失效是看整颗IC所有脚中，在各种测试模式下，最低之ESD耐压值为该颗IC的ESD值。
射频电路的频率一般工作在低频段（30K～300K），中高频（3M～30M），高频（400M以上），在低频和中高频的ESD保护可以沿用一般的保护结构，但当电路工作在高频端时由于静电放电保护电路所造成的寄生效应，通常会造成射频电路的功率增益衰减，并且会增加噪声，在GHz频段的损害会更严重。
芯片esd测试标准和方法(一)
芯片ESD测试标准和方法1. ESD测试标准- IEC 标准：这是国际电工委员会制定的ESD测试标准，用于评估设备的抗静电放电能力。
该标准规定了测试波形、测试级别和测试方法等内容，是ESD测试的国际通用标准。
- AEC-Q100标准：这是汽车电子领域常用的ESD测试标准，适用于评估汽车电子元器件的静电放电性能。
该标准对测试波形、测试级别和测试条件等进行了详细规定，以确保汽车电子设备在复杂的环境下具有良好的静电放电能力。
2. ESD测试方法- HBM测试方法：HBM（Human Body Model）是一种模拟人体静电放电的测试方法，通过模拟人体接地时的静电放电过程，评估芯片的抗静电放电能力。
该方法利用人体模型进行测试，可以快速评估芯片的静电放电性能，是一种常用的ESD测试方法。
- MM测试方法：MM（Machine Model）是一种模拟机器设备静电放电的测试方法，通过模拟机器间的静电放电过程，评估芯片的抗静电放电能力。
该方法利用机器模型进行测试，可以更真实地模拟实际工作环境中的静电放电情况，对芯片的静电放电性能进行全面评估。
- CDM测试方法：CDM（Charged Device Model）是一种模拟电荷器件静电放电的测试方法，通过模拟芯片和其它器件之间的静电放电过程，评估芯片的抗静电放电能力。
该方法利用充电器件模型进行测试，可以更精确地模拟芯片在实际应用中的静电放电情况，对芯片的静电放电性能进行准确评估。
3. ESD测试流程- 准备工作：进行ESD测试前，需要准备好测试设备、测试样品和测试环境等，确保测试的准确性和可靠性。
- 测试设置：根据不同的ESD测试方法和标准，设置合适的测试波形、测试级别和测试条件等，以确保测试的科学性和可比性。
- 进行测试：根据测试设置，进行HBM、MM或CDM等ESD测试，记录测试过程中芯片的静电放电情况和性能表现。
- 数据分析：对测试数据进行分析，评估芯片的抗静电放电能力，确定是否符合相关的ESD测试标准和要求。
芯片IO缓冲及ESD电路设计
芯片I/O缓冲及ESD电路设计摘要：文章详细介绍了基于CMOS的芯片I/O缓冲电路分类，功能，电路及版图设计的一些考虑以及芯片引脚的静电保护问题。
关键词：I/O；缓冲电路；静电保护；CMOS针对引脚的输入输出缓冲（I/O buffer）电路设计，也可以称为输入输出接口（I/O interface）电路设计，是一颗完整芯片设计中不可或缺的组成部分，但是详细论述其设计规则的文章或者著作在国内却比较鲜见，这对初学者或者没有这方面经验的工程师无疑会造成困惑。
本文以CMOS工艺为例，较全面的论述I/O缓冲电路设计中各种考虑，可以作为芯片引脚输入输出电路设计的一个参考。
根据I/O缓冲电路应用目标的不同，可将其分为输入、输出等几类，详见表1。
表1 I/O缓冲电路的分类输出缓冲输出缓冲电路的功能要求能够驱动大的片外负载，通常为2～50pF，并且提供适当的上升/下降时间。
一组连续的大尺寸的缓冲器（buffer）对驱动能力的提高是有益的。
大尺寸的管子容易受闩锁效应(latch-up)的影响，在版图设计时建议采用保护环(Guardrings)保护以避免闩锁效应，如图1-1所示。
在图中，用P+作为内保护环，而N+作为外保护环(In n-well)。
图1-1缓冲器一种常见的输出电路如图1-2所示，En是输出电路的使能信号，Dout是输出数据，MOS管组合的功能如图中所示。
当En为低而Dout有效时，A、B均为高电平，输出Y为低，且由外向里看为高阻抗状态，如果Dout未定，则Y为高阻。
需要注意的是，最后输出级的管子尺寸要大到能够提供足够的电流源或电流沉并且减少延迟时间。
其负面影响是电流变化率（di/dt）变大而使穿过输出点到封装的压焊线上的L（di/dt）噪声增大，从而导致较大的片上噪声。
图1-2常用的输出缓冲电路在高性能的芯片中，如32位的微处理器，如果多个I/O输出驱动电路工作状态相似时，L(di/dt)噪声可能逐步增强，会影响芯片速度。
芯片esd测试标准和方法
芯片ESD测试标准和方法如下：
1. 标准：根据静电的产生方式以及对电路的损伤模式不同，通常分为四种测试方式，包括人体放电模式（HBM）、机器放电模式（Machine Model）、元件充电模式（CDM）、电场感应模式（FIM）。
业界通常使用前两种模式来测试，即HBM和MM。
对于HBM，等效人体电容为100pF，等效人体电阻为 1.5KΩ。
规定小于2kV的则为Class-1，在2kV~4kV的为class-2，4kV~16kV的为class-3。
2. 方法：
* 接触放电：放电对象包括金属端子（如AUX端子、VIDEO端子、FM端子外导体、所有的螺钉、裸露在外的金属板等）、可导电的表面（如喷有金属漆的JOG、面板等）、水平金属板、垂直金属板。
放电等级为±4KV。
判断标准是B级，即在测试过程中允许出现功能性、显示紊乱，但在暂停测试后短时间内可自行（在无人为的干预的情况下）恢复正常的工作状态。
* 放电方法：放电导线与枪头同时放在被测端子（表面）上，进行连续放电，放电间隔时间应不少于1秒。
先用枪头对被测端子（表面）放电，然后将枪头移开，再用放电导线对被测端子（表面）的电荷导入大地。
重复10次。
如两种测试方法的结果不同，应以恶劣的结果为准。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议咨询专业人士。
ESD保护版图设计
摘要静电放电(简写为ESD)是集成电路(简写为IC)在制造、运输、以及使用过程中经常发生并导致IC芯片损坏或失效的重要原因之一。
工业调查表明大约有40％的IC失效与ESD/EOS(过强的电应力)有关。
因此，为了获得性能更好更可靠的IC芯片，对ESD开展专门研究并找到控制方法是十分必要的。
随着芯片尺寸的持续缩小，ESD问题表现得更加突出，已成为新一代集成电路芯片在制造和应用过程中需要重视并着力解决的一个重要问题。
论文论述了CMOS集成电路ESD 保护的必要性，研究了在CMOS电路中ESD 保护结构的设计原理，分析了该结构对版图的相关要求，重点讨论了在I/O电路中ESD 保护结构的设计要求。
论文所做的研究工作和取得的结果完全基于GGNMOS的器件物理分析，是在器件物理层次上研究ESD问题的有益尝试；相对于电路层次上的分析结果，这里的结果更加准确和可靠，可望为GGNMOS ESD保护器件的设计和制造提供重要参考。
关键词：静电放电(ESD)；接地栅NMOS；保护器件；电源和地AbstractThe electrostatic discharge (ESD) is integrated circuit (IC) in manufacturing, transportation, and use process occurs frequently and cause IC chips damage or failure of one of the important reasons. Industrial survey shows that about 40 percent of IC failure and ESD/EOS (overpowered electrical stress) relevant. Therefore, in order to obtain better performance more reliable IC chips, to carry out special research and find the ESD control method is very necessary. Along with the continuous narrowing, chip size behaved more prominent ESD problems, has become a new generation of integrated circuit chip in the manufacture and application process needed to pay attention to and addressing an important question.This paper discusses the CMOS integrated circuit, the necessity of ESD protection in CMOS circuit was studied in the structure of ESD protection design principle, analyzes the structure on the map the relevant requirements, especially discussed in the I/O circuit ESD protection structure design requirements.Keywords:Electrostatic Discharge, GND gate NMOS, Protected Device, Power and Ground目录摘要 (1)Abstract (2)第1章绪论 (4)1.1 集成电路的发展状况 (4)1.1.1 集成度的提高 (4)1.1.2 摩尔定律 (4)1.2 集成电路中的ESD保护 (5)1.2.1 为何出现ESD (5)1.2.2 ESD保护的必要性 (5)第2章关于版图设计与版图设计环境的介绍 (7)2.1 集成电路版图设计 (7)2.2 版图结构 (7)2.3 版图设计流程与方法 (8)2.4 版图设计环境 (8)2.4.1 Technology file 与Display Resource File 的建立 (9)2.4.2 Virtuoso工具的使用 (9)第3章CMOS电路的ESD保护结构版图设计 (13)3.1 CMOS电路中ESD测试 (13)3.2 ESD保护原理 (14)3.3 CMOS电路ESD保护结构的设计 (14)3.3.1 CMOS电路ESD保护器件 (15)3.4 CMOS电路ESD保护结构的版图设计 (16)3.4.1 版图设计原则 (16)3.4.2 ESD保护结构版图设计 (17)第4章结束语 (18)参考文献 (19)致谢 (20)第1章绪论1.1 集成电路的发展状况1.1.1 集成度的提高真正导致数字集成电路技术发生革命性变化的是半导体存储器和微处理器的引入。
芯片设计常用io口和esd器件
芯片设计常用io口和esd器件（原创版）目录1.芯片设计中 io 口的作用和分类2.ESD 器件的作用和分类3.Iio 口和 ESD 器件在芯片设计中的应用4.芯片设计中 io 口和 ESD 器件的选型要点5.结论正文在芯片设计中，io 口和 ESD 器件是常见的元件，它们各自承担着重要的角色。
本文将详细介绍这两类元件的作用、分类、应用以及选型要点。
首先，我们来了解一下 io 口。
io 口，即输入输出口，是芯片与外部设备进行数据传输的重要通道。
根据传输速率和电压等级的不同，io 口可分为低速 io 口和高速 io 口。
低速 io 口一般用于传输速度较慢的数据，如串行通信；高速 io 口则用于传输速度较快的数据，如并行通信。
在芯片设计中，io 口的数量、位置和传输速率等因素都需要根据实际需求进行合理配置。
接下来，我们来看看 ESD 器件。
ESD，即静电放电，是一种常见的电磁干扰现象。
在芯片设计中，ESD 器件主要用于保护电路免受静电放电的损害。
根据保护等级和响应时间的不同，ESD 器件可分为多种类型，如瞬态电压抑制二极管（TVS）、静电放电保护二极管（ESD）、电涌保护器（SPD）等。
在芯片设计中，需要根据实际应用场景选择合适的 ESD 器件，以确保电路的稳定性和可靠性。
io 口和 ESD 器件在芯片设计中的应用是相互关联的。
io 口用于数据传输，而 ESD 器件则用于保护数据传输过程中的电路。
因此，在设计过程中，需要充分考虑这两类元件的协同作用，以实现高效、稳定的数据传输。
在芯片设计中，io 口和 ESD 器件的选型要点主要包括以下几点：1.传输速率：根据实际应用需求选择合适的 io 口和 ESD 器件传输速率。
2.电压等级：根据电路工作电压选择 io 口和 ESD 器件的电压等级，以确保数据传输的稳定性。
3.静电保护能力：根据实际应用场景选择具备足够静电保护能力的ESD 器件。
4.封装尺寸：根据芯片的封装尺寸和布局选择合适尺寸的 io 口和ESD 器件。
芯片esd
芯片esd芯片ESD（电静电放电）是指芯片在使用或存储过程中受到静电放电的影响而导致损坏或性能下降的现象。
以下是关于芯片ESD的1000字说明：一、芯片ESD概述静电放电（ESD）是指人体或物体在相对湿度较低的环境中，由于与外界产生的静电电荷瞬间放电所引起的现象。
对于芯片而言，ESD是一个非常严重的问题，因为静电放电可能导致芯片的瞬态电压超过设定的承受能力，进而引起芯片损坏或降低其性能。
二、芯片ESD保护机制为了防止芯片受到静电放电的影响，芯片设计中通常会采取一系列的ESD保护机制。
其中一种常见的机制是在芯片输入/输出（I/O）引脚上使用ESD保护器件，它们可以将静电放电导向地线，从而防止其对芯片造成损害。
此外，还可以通过在芯片上采用地线或耦合电阻等方式来提供ESD保护。
三、芯片ESD测试与标准为了确保芯片具备足够的ESD抵抗能力，通常需要进行一系列的ESD测试。
这些测试可以模拟不同场景下的静电放电，并评估芯片对静电放电的响应。
常见的ESD测试标准包括：IEC 61000-4-2、MIL-STD-883E 和 JEDEC JS-001。
四、芯片ESD设计要点在芯片设计过程中，需要考虑一些重要的ESD设计要点，以确保芯片具备足够的ESD抵抗能力。
这些要点包括：合理布局设计，尽量减小ESD电路的长度和面积；选择合适的ESD 保护器件，并确保其电性能符合要求；采用合适的地线和耦合电阻来提供ESD保护；合理设置电源和地线的引脚位置，以减小ESD放电路径。
五、芯片ESD故障分析与处理在芯片使用过程中，如果出现了ESD故障，需要进行相关的故障分析与处理。
通常可以通过观察芯片外观或使用电子显微镜来确定ESD故障点的位置，然后进行修复或替换相应的元件。
六、芯片ESD的未来发展随着芯片尺寸的不断缩小和工作频率的不断增加，ESD问题将变得更加复杂和严重。
为了应对这些挑战，未来的芯片设计将需要采用更加先进的ESD保护方案和技术，并提高ESD测试的准确性和完整性。
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芯片I/O缓冲及ESD电路设计
摘要：文章详细介绍了基于C MOS的芯片I/O缓冲电路分类，功能，电路及版图设计的一些考虑以及芯片引脚的静电保护问题。
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关键词：I/O；缓冲电路；静电保护；CMOS
针对引脚的输入输出缓冲（I/O buffer）电路设计，也可以称为输入输出接口（I/O interface）电路设计，是一颗完整芯片设计中不可或缺的组成部分，但是详细论述其设计规则的文章或者著作在国内却比较鲜见，这对初学者或者没有这方面经验的工程师无疑会造成困惑。
本文以CMOS工艺为例，较全面的论述I/O缓冲电路设计中各种考虑，可以作为芯片引脚输入输出电路设计的一个参考。
根据I/O缓冲电路应用目标的不同，可将其分为输入、输出等几类，详见表1。
表1 I/O缓冲电路的分类
输出缓冲（是个大驱动器，他将信号输出芯片）
输出缓冲电路的功能要求能够驱动大的片外负载，通常为2～50pF，并且提供适当的上升/下降时间。
一组连续的大尺寸的缓冲器（buffer）对驱动能力的提高是有益的。
大尺寸的管子容易受闩锁效应(latch-up)的影响，在版图设计时建议采用保护环(Guardrings)保护以避免闩锁效应，如图1-1所示。
在图中，用P+作为内保护环，而N+作为外保护环(In n-well)。
图1-1缓冲器
一种常见的输出电路如图1-2所示，En是输出电路的使能信号，Dout是输出数据，MOS管组合的功能如图中所示。
当En为低而Dout有效时，A、B均为高电平，输出Y为低，且由外向里看为高阻抗状态，如果Dout未定，则Y为高阻。
需要注意的是，最后输出级的管子尺寸要大到能够提供足够的电流源或电流沉并且减少延迟时间。
其负面影响是电流变化率（di/dt）变大而使穿过输出点到封装的压焊线上的L（di/dt）噪声增大，从而导致较大的片上噪声。
图1-2常用的输出缓冲电路
在高性能的芯片中，如32位的微处理器，如果多个I/O输出驱动电路工作状态相似时，L(di/dt)噪声可能逐步增强，会影响芯片速度。
图1-3通过加入一个闸控制信号(ST)，并结合时序的控制，可以减小L（di/dt）噪声。
图1-3降低L(di/dt)噪声的电路
输入缓冲
输入数字信号电平如果和芯片内部需要电平一致，就需要升压或者降压电路进行调整。
注意这个升压/降压是芯片电压可以提供的电平，否则可能需要DC/DC 电路来完成。
如芯片供电电压为3.3V和1.8V，某外部信号供电电平为1.8V，而芯片内部使用该信号的供电电平为3.3V，就需要降压。
电压转换电路如图2-1所示，分别将高或低的片外电平进行转换以适合片内使用，图2-1（a）为升压电路，图2-1（b）为降压电路，VDDH接高电平，VDDL接低电平。
图2-1(a)升压电
路
图2-1(b)降压电路
输入缓冲电路的另外一个作用是对噪声的滤除。
对于噪声的危害，噪声寄生在信号电平上可能造成比较器的误判就是一个突出的例子。
施密特触发器利用磁滞效应的原理对消除这种噪声干扰有很好的效果。
图2-2是施密特触发器的结构和磁滞现象中的磁滞回路。
这样，即使重叠噪声(noise)混入电路，该噪声如果没有超越磁滞宽度的话，输出就不会产生多次拉动（multi pull trigger）的误动作，只会出现与磁滞宽度相同的响应延迟。
图2-2(a)施密特触发
器
图2-2(b)磁滞现象中的磁滞回路
静电放电保护也是输入缓冲电路的一个基本功能，通常用二极管钳位，如果电压过高将会使其导通，使大电流泄走，在后文的静电放电保护部分会有更多讨论。
双向缓冲
双向缓冲，即兼有输入输出功能的双向缓冲电路，输出时有三态驱动，可以使用使能（enable）信号来区分输入输出状态。
并且可以优化三态输出以避免使用大尺寸的管子。
根据前面对输入和输出缓冲的单独描述，组合起来并用使能信号控制，得出双向缓冲电路如图3-1所示。
图3-1双向缓冲电路的结构框图
图3-2给出了一个0.6μm工艺的双向I/O缓冲简化电路。
图3-3是其版图。
该电路及版图设计包括了保护电阻、保护二极管、保护环、场氧钳制（Field oxide clamps）等。
图3-2一个I/O缓冲的简化电路
图3-3示例的版图
模拟信号引脚接口电路
模拟信号引脚接口电路是直接将模拟信号精确的输入或输出，故无须额外的缓冲电路（buffer），而且保护电路也不可对电压/电流信号有所扭曲。
图4-1给出了一种模拟信号引脚接口电路的结构和等效电路。
三极管的短接方式实际等效为二极管，如果工艺库提供专门的二极管，则无须这样的替代。
图4-1模拟I/O的结构和等效电路(以TMSC0.35μm工艺为例)
电源，时钟等信号的引脚电路与之类似。
有时还需要串接一个保护电阻，其作用是避免大电流对二极管的冲击，而坏处是可能引入热噪声。
对于输入缓冲，保护电阻的值应该设计得较大，如200到2000欧姆；电源、时钟信号的缓冲电路则选择小一些。
ESD保护
通常，穿尼龙制品的人体静电可能达到21,000V的高压，750V左右的放电可以产生可见火花，而仅10V左右的电压就可能毁坏没有静电保护的芯片。
在正常工作情况下，静电放电保护电路设计，除对静电放电保护外，还有栅氧化层(Gate Oxide)的可靠性，避免额外漏电等问题；有省电模式的芯片，静电放电电路还须考虑在省电模式时，避免额外漏电流对内部芯片产生误操作。
在静电放电发生时，保护电路必须保护内部电路不受放电电流伤害。
此外，还需要考虑静电放电保护电路的低持有电压(Holding Voltage)特性可能带来的闩锁效应(Latch-up)或类似闭锁效应(Latch-up-Like)。
这也使得高性能的静电放电电路设计变得复杂，如果要详细讨论这些问题需要单独的论述。
静电放电保护标准有常用的工业标准（+/-2000V），IEC61000-4-2标准（+/-15000V,+/-8000V）等，可以根据芯片工作环境做相应的保护设计。
图5-1给出了人体静电放电模型及静电放电保护电路工作时电流回路示意图。
高压将钳位二极管导通，电流经VDD，静电放电钳制电路等泄入地端，避免内部电路受损。
图5-1芯片的ESD保护电路模型
一种常见的ESD钳制电路如图5-2所示。
芯片正常工作时，A点电位为高，B点为低，Mn1不导通。
当瞬间的静电高压冲击到来时，图5-1中的二极管导通，VDD为静电高压，RC电路对高压有延迟，故A点电压较VDD上升慢，而使反相器PMOS管导通，B点电压上升，使大尺寸的Mn1管导通，静电电流被泄载掉。
需要注意，人体静电放电上升时间为10ns量级，芯片启动为ms量级，ESD 钳制电路的RC时间常数应在两者之间，通常可以取0.1μs到1μs量级。
另外，高压对电路冲击的效应是较难模拟的，ESD电路的版图设计需要特别小心。
图5-2RC电路结构的ESD钳制电路
ESD保护设计随着CMOS工艺的演进而越来越困难，迄今已有六百多件ESD 相关的美国专利。
而且，ESD更应当从芯片全局考虑，而不只是Input PAD，Output PAD，或Power PAD的问题。
各个PAD都有很好的ESD防护能力，并不说明整个芯片的ESD防护能力就一定好。
采用整片(whole-chip)防护结构是一个好的选择，也能节省I/O PAD上ESD元件的面积。
整片ESD防护结构同样是各大IC设计公司专利竞争的焦点，所以，IC设计公司应该特别注意这些技术的发展。