一种多级电压IO单元及其芯片的制作方法

一种多级电压io单元及其芯片
技术领域
1.本实用新型属于集成电路设计领域，尤其涉及一种多级电压io单元及其芯片。


背景技术：

2.数字逻辑芯片和mcu芯片一般使用foundry厂家(专门生产制造芯片厂家)或第三方ip厂商提供的通用io单元实现多个io引脚，用于高电平或低电平的数字信号输入或输出，这种io引脚的输入状态只有0(低电平)或1(高电平)，输出状态也只有0(低电平)或1(高电平)以及三态输出禁止。现有的通用io单元如图1所示。
3.使用该通用io单元存在以下缺陷：一方面，这种通用io不太适用于多电压多电平的多芯互连的复杂系统。常规解决方法是外加电平转换芯片，导致成本增加，例如将自身的3.3v数字信号通过外置芯片转换成1.8v后再连接目标设备，或反之。另一方面，这种通用io也不太适用于数模混合芯片及系统，有些外设需要向其提供多种上拉或者下拉电流，有些外设需要mcu向其动态提供多种参考电压，或者感知外设产生的多种信号电压。常规解决方法需要多个电阻、dac、比较器等，所需元器件较多，成本高，面积较大，不利于io布局。所以，该方案一直未被数模混合型mcu采用，也一直未在io单元库中实现。
4.中国专利cn201910163902.x公开了复用芯片内的可编程dac实现可编程上拉电阻或可编程下拉电阻的功能，但是未能在io单元的多级电平输入输出上有所扩展。


技术实现要素：

5.发明目的：为了解决现有技术中，芯片支持多级电压输入输出而导致电路复杂、元器件多、成本高、不利于商用等问题，本实用新型提供一种多级电压io单元及其芯片。
6.技术方案：一种多级电压io单元，包括：
7.io引脚；
8.可编程dac，输入端输入控制信号及数据信号，输出端连接运放正输入端；
9.第一模拟开关，第一端连接可编程dac输出端，第二端连接io引脚；
10.运放，输出端引出数据信号线，负输入端连接esd保护电路的输出端，esd保护电路的输入端连接io引脚；
11.第二模拟开关，第一端连接运放输出端，第二端连接io引脚。
12.进一步地，所述可编程dac的输入端包括一组数据信号线及至少两根模式控制线，数据信号线输入数据信号，模式控制线输入控制信号。
13.进一步地，所述运放为轨到轨放大器。
14.进一步地，还包括电阻，所述电阻的一端连接第一模拟开关的第二端，电阻的另一端连接io引脚。
15.进一步地，第二模拟开关的第二端连接第一模拟开关的第二端。
16.进一步地，还包括模拟信号比较结果数字化模块，所述模拟信号比较结果数字化模块的输入端连接运放输出端，另一端引出数据信号线。
17.进一步地，所述第二模拟开关嵌入到运放中，第二模拟开关包括第一pmos管和第一nmos管，运放输出端包括第二pmos管和第二nmos管，第一pmos管串联在第二pmos管的漏端或源端，第一nmos管串联在第二nmos管的漏端或源端，第一pmos管及第一nmos管的栅端连接运放的三态输出控制端。
18.进一步地，所述第二模拟开关嵌入到运放中，第二模拟开关包括第三pmos管、第三nmos管、第一组合开关及第二组合开关；运放输出端包括第二pmos管和第二nmos管；第一组合开关及第二组合开关分别连接在第二pmos管和第二nmos管的栅端；所述第三pmos管源端接电源，漏端接第二pmos管栅端；所述第三nmos管源端接地，漏端接第二nmos管栅端。
19.进一步地，还包括数字电平输入模块、输出模块中的至少一个；所述数字电平输入模块的输入端连接esd保护电路的输出端，数字电平输入模块的输出端引出数据信号线；所述输出模块包括输出端、第一输入端及第二输入端，输出端连接io引脚，第一输入端连接使能输出控制端，第二输入端连接数据信号。
20.一种含多级电压io单元的芯片，包括上述多级电压io单元及模式控制单元，所述模式控制单元的输出端连接可编程dac的输入端、第一模拟开关的控制端及第二模拟开关的控制端。
21.本实用新型提供一种多级电压io单元及其芯片，相比较现有技术，存在以下有益效果：
22.(1)结构简单，仅增加一个运放和两个模拟开关，通过一定的连接关系，通过模式组合设计，实现多级电压比较输入和多级电压缓冲输出的功能。
23.(2)采用可编程dac，复用dac自身的电阻，结合两个模拟开关的控制，通过逻辑组合实现多级电平输入输出的多种模式。
24.(3)复用了在芯片中难以随工艺提升而减小面积的模拟器件，例如复用了在芯片中成本较高、占面积较大的电阻和运放；增加了在芯片中容易随工艺提升而减小面积的数字器件，例如增加了模式组合控制。在实现多级电压输入输出的效果下，尽可能减小芯片增加的面积，降低芯片增加的成本。
25.(4)支持多级电压输入和输出，无需增加电平转换芯片。可以为模拟型芯片和数模混合型mcu提供多级电压io单元，适用于数模混合芯片及系统，提升了芯片的性能。
附图说明
26.图1为现有io单元的结构示意图；
27.图2为实施例一多级电压io单元的结构示意图；
28.图3为实施例二嵌入第二模拟开关后的运放结构示意图；
29.图4为实施例三嵌入第二模拟开关后的运放结构示意图；
30.图5为实施例四多级电压io单元的结构示意图；
31.图6为实施例五多级电压io单元的结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
33.实施例一：
34.一种多级电压io单元，如图2所示，包括io引脚pad、可编程dac、第一模拟开关k1、第二模拟开关k2、运放及esd保护电路。可编程dac的输入端输入控制信号及数据信号，输出端连接运放正输入端。第一模拟开关的第一端连接可编程dac输出端，第二端连接io引脚。运放的输出端引出数据信号线c0，负输入端连接esd保护电路的输出端，esd保护电路的输入端连接io引脚，该esd保护电路为二级esd保护，一般由数百欧的电阻加ggnmos或grnmos构成，此外io引脚pad上还连接有一级esd保护。第二模拟开关的第一端连接运放输出端。
35.所述可编程dac的输入端包括一组数据信号线data及至少两根模式控制线pue、pde，数据信号线输入数据信号，模式控制线输入控制信号，用于控制进入何种模式。
36.所述运放为轨到轨放大器，运放的输入和输出均支持轨到轨，该轨到轨运放支持0到电源电压全范围的输入和输出。
37.还可以包括电阻r，所述电阻r的一端连接第一模拟开关的第二端，电阻r的另一端连接io引脚。所述电阻的阻值一般为数十欧到数百欧，第一模拟开关的mos器件兼做esd器件，与电阻r一起兼做运放正输入端的二级esd保护。如果r阻值较小，第二模拟开关的第二端也可以与第一模拟开关第二端连接，但通常是直接连接至io引脚。电阻r是可选的，如果运放正输入端已有一定的esd承受能力，那么电阻r也可以用短接代替。
38.一种含多级电压io单元的芯片，尤其是数模混合型mcu，包括上述的多级电压io单元及模式控制单元，所述模式控制单元的输出端连接可编程dac的输入端、第一模拟开关k1及第二模拟开关k2的控制端。模式控制单元通过组合逻辑输出多种模式控制信号，通过控制可编程dac、第一模拟开关及第二模拟开关实现多种工作模式，包括dac直接输出模式、dac缓冲输出模式、可编程上拉电阻模式、可编程下拉电阻模式及多级电平输入模式。表1举例示意了多种工作模式表对应的一系列组合逻辑，但不限于这一种组合。对于在芯片中难以随工艺提升而降低面积的模拟器件，例如电阻和运放，通过模式组合实现了充分的复用，以较少的器件和有效的连接关系，实现多种功能。
39.表1多种工作模式表
[0040][0041][0042]
实施例二：
[0043]
实施例二与实施例一的区别在于，实施例二的第二模拟开关嵌入在运放中。如图3所示，第二模拟开关k2包括第一pmos管p1和第一nmos管n1，运放输出端包括第二pmos管p2和第二nmos管n2，第一pmos管p1串联在第二pmos管p2的漏端或源端，第一nmos管n1串联在
第二nmos管n2的漏端或源端，第一pmos管p1及第一nmos管n1的栅端连接运放的三态输出控制端，所述三态输出控制端原用于运放三态输出启用或禁止，现可通过三态输出控制端的启用或禁止信号，实现控制第二模拟开关开启或关闭的效果。为了直观显示第二模拟开关嵌入在运放中的连接关系。图3示出了一种简化的运放结构，实际使用的运放很可能比这种要复杂得多。另外，技术上稍做微调，上述p1和p2也可以交换位置，上述n1和n2可以交换位置，效果相同。如图为当三态输出控制端为开启信号时，等效为第二模拟开关开启，当三态输出控制端为禁止信号时，等效为第二模拟开关关闭。
[0044]
实施例三：
[0045]
实施例三的第二模拟开关也是嵌入在运放中的，与实施例二相比，区别在于，第二模拟开关的结构不同，与运放的连接关系不同。如图4所示，是实施例三将第二模拟开关嵌入在运放中的方式。第二模拟开关包括第三pmos管p3、第三nmos管n3及两个组合开关k3；运放输出端包括第二pmos管p2和第二nmos管n2；第一组合开关及第二组合开关分别连接在第二pmos管p2和第二nmos管n2的栅端；所述第三pmos管p3源端接电源，漏端接第二pmos管p2栅端；所述第三nmos管n3源端接地，漏端接第二nmos管n2栅端。第一组合开关、第二组合开关均为一对pmos管和nmos管构成的组合开关。运放输出端的第二pmos管p2栅端由第三pmos管p3和第一组合开关控制，第二nmos管n2栅端由第三nmos管n3和第二组合开关控制。开关控制信号如图中swon、swinv所示。当两个组合开关导通时，等效为第二模拟开关打开，运放输出直接连接io引脚，当第三pmos管p3、第三nmos管n3导通时，等效为第二模拟开关断开。
[0046]
这种方式虽然需要更多器件，但所加mos器件所通过的电流小，故器件尺寸较小。
[0047]
对于嵌入第二模拟开关后的运放，co可以由运放的另一不含三态控制的镜像输出端产生，或者从多级运放的前一级引出。
[0048]
实施例四：
[0049]
实施例四与实施例一相比，增加了模拟信号比较结果数字化模块，其输入端连接运放的输出端，另一端引出数据信号线，如图5所示。所述模拟信号比较结果数字化模块可以由若干级反相器实现，或者由level shift模块实现。运放将正负输入端电压进行比较，运放输出端的信号产生比较结果，要么低电平要么高电平，理论上可以直接作为数字信号使用，但为了更好的数字电平匹配效果，例如运放工作于3.3v，而数字内核或模式控制单元希望信号电平1.2v，那么可以加上模拟信号比较结果数字化模块，以实现更好的数字化匹配效果。
[0050]
实施例五：
[0051]
实施例五在实施例一或实施例二或实施例三或实施例四的基础上，增加了数字电平输入模块和输出模块，也可以单独只增加其一。
[0052]
如图6所示，所述数字电平输入模块的输入端连接二级esd保护电路的输出端，数字电平输入模块的输出端引出数据信号线，实现单一数字电平输入，用于兼容现有通用io单元。
[0053]
所述输出模块包括输出端、第一输入端及第二输入端，输出端连接io引脚，第一输入端连接使能输出控制端(选择是否使用单一数字电平输出)，第二输入端连接输出数据信号，实现单一数字电平输出，用于兼容现有通用io单元。
[0054]
实施例四可与现有通用io单元的功能兼容，实现更高速的单一数字电平输入和输
出，其输出模块的mos器件还可以兼做一级esd保护器件。