基于高性能數(shù)字芯片的多協(xié)議可編程接口設(shè)計

0 引言

　　隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能數(shù)字芯片中越來越廣泛地采用高速存儲器和多種總線標(biāo)準(zhǔn)，并需要提供多種電平標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓，這給接口電路的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。設(shè)計支持高速通信、高覆蓋性的電平標(biāo)準(zhǔn)，支持多種接口協(xié)議，可控延遲，并具備一定的工作速度、穩(wěn)定性和高的驅(qū)動能力的可編程輸入輸出接口電路成為當(dāng)務(wù)之急?；谝陨戏治?，本文設(shè)計了一種多協(xié)議可編程輸入輸出接口中的輸入接口電路，在用戶配置基準(zhǔn)電壓和輸入模式的情況下，可以支持多達(dá)10種的不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并可以通過可編程延遲模塊消除焊盤至芯片內(nèi)部的保持時間，實現(xiàn)信號通路的同步性。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及協(xié)議分析

　　目前高性能數(shù)字芯片的輸入輸出接口模塊(IOB)通常采用如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它完整地提供了從管腳到芯片內(nèi)部邏輯之問的連接。該結(jié)構(gòu)主要由可編程輸入緩沖、可編程輸出緩沖、輸入觸發(fā)鎖存器、輸出觸發(fā)器、可編程延遲及ESD保護(hù)構(gòu)成，每個IOB控制一個引腳，它可被配置為輸入、輸出或雙向I／O功能。當(dāng)IOB控制的引腳被定義為輸入時，通過該引腳的輸入信號先送人可編程輸入緩沖器。緩沖器的輸出分成兩路：一路可以直接送到多路選擇器，經(jīng)選擇后輸入芯片；另一路經(jīng)可編程延遲模塊延時幾個納秒(或者不經(jīng)過延時直接輸入)，然后送到輸入通路觸發(fā)器，再送到數(shù)據(jù)選擇器。通過編程控制數(shù)據(jù)選擇器，且輸入輸出觸發(fā)器都配有獨立的時鐘，可以任選采用上升沿或下降沿作為有效作用沿，從而達(dá)到對輸入的可編程控制，提供不同的接口協(xié)議。

　　本工作重點是設(shè)計該模塊中的可編程輸入子模塊電路，主要包括可編程延遲模塊、可編程輸入緩沖模塊、ESD保護(hù)模塊及輸入觸發(fā)鎖存器、選擇器等，設(shè)計目標(biāo)是必須完成多種通用及高速輸入標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的可編程選擇。目前高集成度的接口協(xié)議稱為JEDEC (joint electron device engineering council)標(biāo)準(zhǔn)。常見的輸入輸出接口標(biāo)準(zhǔn)定義在JEDEC8系列中。

　　JEDEC定義了輸入輸出接口的電氣性能，包括供電電壓、輸入最低高電平VIH、輸出最高低電平VIL、輸出最低高電平VOH、輸出最高低電平VOL、最大電流驅(qū)動能力、輸出擺率等，此外還需要根據(jù)特定的輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)提供用于差分輸入的用戶自定義基準(zhǔn)電壓VREF。以頻率較高的HSTL標(biāo)準(zhǔn)及較為通用的LVCMOS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為例，其JEDEC定義的電氣性能如表1所示。

　　可見，必須設(shè)計不同的輸入緩沖模塊為不同標(biāo)準(zhǔn)提供輸入路徑。HSTL協(xié)議擺幅電壓較低，頻率可達(dá)200 MHz，但不具備5 V電壓耐壓能力，且必須差分輸入，需從外部提供0.75 V基準(zhǔn)電壓；LVCMOS協(xié)議電壓較高，耐壓能力強(qiáng)，為單端輸入，可選用single-ended端至端輸入緩沖器。根據(jù)表1中的9種不同協(xié)議特性，將其分為三組，通過不同的輸入緩沖模塊進(jìn)行輸入，分別進(jìn)行編程控制，根據(jù)需要添加延遲量。模塊電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中編程控制點均未給出。

　　其中，低基準(zhǔn)電壓緩沖器完成較低基準(zhǔn)電壓的協(xié)議差分輸入，包括HSTL／GTL／GTL+協(xié)議，基準(zhǔn)電壓分別為0.75、0.8、1.0 V；高基準(zhǔn)電壓緩沖器完成較高基準(zhǔn)電壓的協(xié)議差分輸入，包括CTT／SSTL2／SSTL3協(xié)議，基準(zhǔn)電壓分別為1.5、1.25、1.5 V；單端輸入緩沖器完成端至端的通用協(xié)議輸入，包括LVTTL／LVCMOS／LVCMOS18協(xié)議。可編程延遲模塊對信號輸入通路的信號進(jìn)行可編程延遲，使其與D觸發(fā)器的時鐘信號CLK同步，最終通過選擇器(MUX)選擇信號為直接輸入或經(jīng)過延遲輸入。

2 電路實現(xiàn)

　　就低基準(zhǔn)電壓緩沖器而言，設(shè)計采用PMOS差分輸入級。影響性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素包括輸入差分放大器的增益、噪聲容限、共模抑制能力等。輸入?yún)f(xié)議中頻率最高的是HSTL協(xié)議，它可以達(dá)到200 MHz以上的工作頻率。以HSTL協(xié)議為例，JEDEC8標(biāo)準(zhǔn)定義了DC及AC兩種邏輯標(biāo)準(zhǔn)，且兩種標(biāo)準(zhǔn)之間有大約100 mV的電平差值。這是因為當(dāng)輸入信號始終大于DC閾值時，邏輯狀態(tài)可以保持穩(wěn)定，避免發(fā)生翻轉(zhuǎn)，便于設(shè)計高增益的差分輸入級。噪聲容限NM在輸入輸出電路中是特別重要的指標(biāo)，過低的噪聲容限會容易引起邏輯錯誤。高噪聲容限NMH與低噪聲容限NML分別定義為



　　對于HSTL協(xié)議來說，單端輸入時的典型VMH及NML均為250 mV，差分輸入時則可以抑制650 mV的共模噪聲，在設(shè)計時還應(yīng)盡量提高差分輸入管的等效小信號增益gm，提高共模抑制比CMRR。為防止襯底噪聲耦合到輸入通路，可以在設(shè)計時在版圖中加入保護(hù)環(huán)，對其進(jìn)行隔離。

　　高基準(zhǔn)電壓緩沖器設(shè)計思路與低基準(zhǔn)電壓緩沖器基本相同，但輸入端采用的是NMOS差分輸入級。單端輸入緩沖器的基本結(jié)構(gòu)類似于一個施密特觸發(fā)器，具有較高的輸入門限電壓，在輸入信號達(dá)到門限電壓之后，輸出通過緩沖器翻轉(zhuǎn)，并進(jìn)行整形。

　　可編程延遲模塊采用多級反相器延遲線結(jié)構(gòu)，并有多個選擇輸入路徑，利用各個路徑反相器數(shù)量及尺寸的不同，通過四個開關(guān)管控制延遲量。在進(jìn)入芯片之前，經(jīng)過延遲的信號與未經(jīng)過延遲的信號還可通過一個多路選擇器MUX進(jìn)行選擇，以滿足內(nèi)部時鐘的不同需要。最終完成的電路如圖3所示。

3 版圖設(shè)計

　　基于SMIC18混合信號工藝，采用CadenceVirtuoso工具設(shè)計版圖。由于本設(shè)計是與輸入輸出接口電路的其他部分電路整體流片，故該可編程輸入接口電路版圖設(shè)計的難點在于與可編程輸出緩沖及ESD的連接部分。首先，必須在設(shè)計ESD電路時注意NMOS管的柵長不能取最小寬度，必須要稍大一點，PMOS管則使用最小規(guī)則。ESD電流回路導(dǎo)電層拐角為45°，NMOS與PMOS之間采用雙保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)且兩種管子之間距離必須大于15μm；其次，電路采用插指結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生寄生hipolar器件；最后，在設(shè)計允許的情況下，電源及地環(huán)路的金屬線寬盡量大，避免輸出緩沖器的大電流從輸入輸出共用的PAD端泄露到輸入電路中來造成電路功能不穩(wěn)，ESD電路與最終輸入路徑的距離也要保持在50μm以上，如圖4(a)。最終，采用Cadence Virtuoso工具，設(shè)計完成的整體版圖如圖4(b)所示。

4 流片驗證與測試

　　基于SMIC18混合信號工藝制作了芯片，封裝形式為DIP28陶瓷封裝，拍攝照片如圖5所示，該芯片為完整的帶ESD保護(hù)的可編程輸入輸出接口。其中，與本文設(shè)計電路相關(guān)的引腳對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

　　其中，VCCI及GND為可編程輸入接口電路供電及接地腳，Bit0～Bit1為輸入緩沖器選擇控制端，Bit2～Bit5為延遲量控制端，Bit3及Bit4分別為未經(jīng)延遲及經(jīng)過延遲的輸入延遲，最終可以通過數(shù)字芯片內(nèi)部MUX進(jìn)行選擇輸入，PAD及Vref分別為信號PAD線及外部基準(zhǔn)電壓接口PAD線。

　　對芯片進(jìn)行了直流及交流特性測試，測試結(jié)果顯示，在芯片上電之后，電路輸入輸出直流電平，控制信號電平，輸入信號波形，可控延遲量均與設(shè)計指標(biāo)非常接近，達(dá)到了較好水平。輸入路徑自身延遲也在可以接受的范圍內(nèi)，將本芯片的測試延遲與Xilinx公司Vitex5芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表3所示。

5 結(jié)語

　　基于SMIC混合信號工藝，給出了一個應(yīng)用于高性能數(shù)字芯片的可編程輸入接口電路設(shè)計方案，并流片制作。測試結(jié)果表明，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全成功的，并可以與其他模塊一起集成在數(shù)字芯片PAD線與內(nèi)部電路之間，完成可控輸入功能，支持多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并支持延遲量控制。