随着半导体工艺发展,更小的特征尺寸让制造商能够在每颗芯片上集成更多单元,芯片集成度已达到上百万门甚至上千万门。这对于专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）来说,设计难度以及制造成本都显著增加,然而芯片集成度提高使得半定制的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）计算能力和处理能力越来越强大;另一方面,半定制的FPGA开发周期更短,产品风险也更低,在工程应用中通过编程开发并与其它电路模块协同配合,就能够搭建起复杂的电子系统处理各种类型的数据,这体现出FPGA具有更好的应用兼容性和灵活性。在信息化高速发展的今天,高端处理器、5G网络、航空航天等越来越多的应用场景需要实时处理海量数据,而FPGA恰好适用于对吞吐量和传输速度要求较高的场合。FPGA的通用I/O接口作为FPGA与外部进行通信的重要模块,势必要能适应不同电压协议的应用需要和日益增加的传输速度。通用I/O接口主要由两部分组成:输入输出缓冲器和各种特定功能的逻辑资源,其中输入输出缓冲器直接面向芯片外部,可编程支持多种电压协议,同时具有较好的传输速率。根据摩尔定律,芯片特征尺寸减小,电源电压也不断降低,在使用较低电源电压的情况下,通用I/O接口既要达到传输速率的高性能指标,还要能覆盖宽范围的电压协议要求。传统通用I/O接口设计方法很难覆盖高性能和宽范围这两种不同的情况,为解决这个问题,考虑设计两种类型的输入输出缓冲器,一种是高性能输入输出缓冲器,采用1.8V低压器件来保证电路的运算速度,但其仅支持1.8V以下的电压协议;另一种是宽范围输入输出缓冲器,可以支持1.2V-3.3V的电压协议,由于也采用1.8V低压器件,如何实现耐压是设计考虑的重点。本论文重点针对宽范围输入输出缓冲器展开研究,对工作电压范围覆盖1.2V-3.3V的37种不同I/O协议进行分类,考虑让相同类型的协议复用缓冲器以节约电路面积,最终设计了5种输入缓冲器和2种输出缓冲器。此外还增加了完成各项功能的其他重要电路模块,包括:耐压控制设计、全差分输出偏置产生、过压保护结构、低功耗设计等。在完成电路设计之后,绘制了版图并基于此对电路进行了仿真。最后,本论文所设计的FPGA通用I/O接口在28nm CMOS工艺下完成流片,测试结果表明,电路的各项功能完整,性能指标能达到指标要求,最高传输速率可达1Gbps。