I/O PAD是芯片与外部电路连接的关键部分，通常由压焊块、电路、电源线和地线组成。压焊块（PAD）用于通过金线连接芯片与封装管座，形状通常为几十微米的矩形。为了避免金线短路，不同封装形式的PAD之间需要保持一定的最小距离。

          

I/O PAD一般采用标准单元结构形式，具有一套I/O库，其形状通常为等高不等宽。有时PAD指的是整个I/O单元，而Bounding PAD仅指压焊块。

1.1 基本的I/O库组成

I/O库通常包括以下几种PAD：    

1.供电PAD：如PAD_VDD、PAD_VSS等，负责为芯片供电。

2.信号PAD：包括模拟信号PAD（如ANIN）和数字信号PAD（区分input和output），模拟信号PAD通常是一块铁片，有时需要用户根据要求添加ESD保护电路。

3.电压转换电路：通过level shifter实现电压转换，电压值依赖于芯片工艺。

1.2 I/O单元的电路设计

I/O单元电路主要功能包括ESD保护、电压转换（level shifter）、施密特触发器、以及电源环路的提供。电路可进一步分为pre-driver和post-driver，前者负责core电压部分，通常为低压1.0V；后者负责pad上的高压部分，通常为3.3V，并提供较大的驱动能力与ESD保护。    

          

二、几种常见的数字I/O单元    

I/O单元可以分为输入单元、输出单元和输入输出单元。以下为其具体设计和功能介绍：

2.1 输入I/O单元

输入单元主要承担对内部电路的保护，特别是ESD保护。其基本原理是通过低阻抗并联通道释放静电，并将ESD电压钳制在足够低的水平，以防止损坏芯片。

常见的ESD保护电路有单二极管+电阻结构和双二极管+电阻结构，分别用于泄放正、负高电压。

          

2.2 输出I/O单元

输出单元的主要功能是提供驱动能力，同时兼具一定的逻辑功能。常见的输出单元包括倒相输出、同相输出、三态输出以及金属掩膜编程的输入输出单元。大驱动能力意味着更快的充电速度，需要更大的电流，因此宽长比大的MOS管更适合此类应用。

对于倒相输出的I/O PAD，通常采用倒相器链驱动，以应对大电容负载。通过合理设计倒相器链的级数和驱动能力，可以优化整个电路的速度和性能。

2.3 其他I/O单元

·同相输出I/O PAD：采用“倒相+倒相”或偶数级倒相器链设计。

·三态输出I/O PAD：用于总线控制，当总线未被使用时，呈现高阻态。

·开漏输出单元：通过上拉网络实现线与功能，适用于多个输出并联的场景。

2.4 输入输出I/O单元

输入输出单元通常通过控制信号切换其功能。根据不同的连线，可以将该单元配置为输入或输出模式，实现灵活的电路设计。

 

三、I/O PAD的其他基本概念

3.1 I/O PAD的摆放方式    

I/O PAD的摆放方式包括Inline和Staggered。当单层inline pad ring无法满足面积要求时，可以使用交错摆放的Staggered方式，以增加PAD的数量。

3.2 Pad Limited与Core Limited设计

根据限制芯片大小的因素不同，设计可分为Pad Limited和Core Limited。对于Pad Limited设计，通常使用Staggered摆放或Flip Chip封装来容纳更多的PAD。

3.3 Corner PAD与Filler PAD

Corner PAD和Filler PAD用于连接芯片拐角处和相邻的I/O PAD，形成电源地环路，确保电路的连续性和可靠性。

3.4 I/O PAD的选择

在选择I/O PAD时，需根据具体应用场景确定Signal Pad和Power Pad的数量，确保设计的稳定性和性能。

通过对芯片I/O单元结构和设计的详细探讨，可以帮助设计工程师更好地理解和应用I/O单元，优化芯片性能并确保其可靠性。