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        帶隙基準(zhǔn)電壓源的抗SET 設(shè)計(jì)

        2023-12-28 02:51:30翟馗斌盧雪梅葛維維楊孫偉郭明齊王贏璽
        微處理機(jī) 2023年6期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)影響

        翟馗斌,盧雪梅,郝 寧,王 濤,葛維維,李 博,軒 昂,楊孫偉,郭明齊,王贏璽

        (1.遼寧大學(xué)物理學(xué)院,沈陽 110080;2.中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100017)

        1 引 言

        近些年來,隨著集成電路的快速發(fā)展及集成電路應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛拓展,研究航天領(lǐng)域的集成電路成為我國科技發(fā)展的重中之重。對于空間站及航天器,單粒子瞬態(tài)效應(yīng)一直是影響電子器件正常工作的主要原因[1]。宇宙中的高能粒子入射電路后,帶電粒子與電子元器件碰撞,電離產(chǎn)生電子-空穴對。如果在敏感節(jié)點(diǎn)處發(fā)生,其產(chǎn)生的載流子會被電場收集,形成瞬態(tài)的脈沖電流,從而使電路性能退化或失效[2]。這種影響即稱為單粒子效應(yīng)(Single Event Effect,SEE),其中單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient,SET)主要是通過影響電路中的某一個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)來影響其功能的[3]。帶隙基準(zhǔn)電壓源作為DC-DC 轉(zhuǎn)換器、LDO 電路及ADC 電路中的重要組成部分,其輸出的變化一旦受到此類效率的影響,將對整個(gè)電路的運(yùn)行構(gòu)成威脅。在此提出一種通過電流補(bǔ)償進(jìn)行單粒子翻轉(zhuǎn)加固的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),并基于0.18 μm體硅工藝完成電路設(shè)計(jì)工作。

        2 抗SET 帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

        2.1 帶隙基準(zhǔn)電路

        帶隙基準(zhǔn)電路是在調(diào)節(jié)器件尺寸參數(shù)并進(jìn)行合理設(shè)計(jì)后,輸出一個(gè)幾乎不受溫度影響的穩(wěn)定的參考電壓。1964 年,Hilbiber 發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)不同電流密度的三極管在工作時(shí),兩個(gè)三極管的基極-發(fā)射極電壓之差與溫度成正比[4]。正溫度系數(shù)產(chǎn)生與溫度成正比的PTAT 電流,原理如圖1 所示。根據(jù)三極管的集電極電流和基極-發(fā)射極電壓之間的關(guān)系,經(jīng)過分析得知,該電流與溫度成反比,即CTAT 電流。

        圖1 實(shí)現(xiàn)正溫度系數(shù)的電路原理圖

        將正溫度系數(shù)電壓與負(fù)溫度系數(shù)電壓按照一定權(quán)重相加,可以得出具有零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓[5],公式如下:

        通過以上分析并調(diào)整器件尺寸相關(guān)參數(shù),設(shè)計(jì)出帶隙基準(zhǔn)電路,電路圖如圖2 所示。按照此設(shè)計(jì),電路的輸出電壓基本不隨溫度的改變而變化,維持在1.19V 左右。

        圖2 帶隙基準(zhǔn)電路原理圖

        2.2 帶隙基準(zhǔn)電路的抗SET 加固

        在模擬電路中,MOS 管的柵極電壓對單粒子瞬態(tài)效應(yīng)極其敏感,以如圖3 的電路結(jié)構(gòu)為例,如果SET 發(fā)生在X 點(diǎn),高能粒子入射進(jìn)入電子元器件內(nèi)部后,導(dǎo)致輸出電壓突然增大,M44管的柵極電壓發(fā)生變化,繼而影響之后的放大電路的輸出。為了減小SET 對電路的影響,提出一種SET 電流補(bǔ)償電路,如圖4 所示。

        圖3 電路敏感節(jié)點(diǎn)示例圖

        圖4 帶有抗SET 結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電壓源

        此電路由比較器Q1、Q2,一對互補(bǔ)晶體管P0、N0及四個(gè)電阻R3、R4、R5、R6組成。電流補(bǔ)償電路的輸入端連接帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出端,另一端與電阻R3、R4(R5、R6)并聯(lián),采取電阻分壓的形式為其提供參考電壓。比較器Q1(Q2)的輸出端連接N0管(P0管)柵極,同時(shí),N0、P0的漏極連接帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出端。此電流補(bǔ)償電路的工作過程主要分為兩種情況:

        第一種情況是當(dāng)電路正常運(yùn)行、沒有產(chǎn)生SET效應(yīng)時(shí),比較器Q1輸出為低電平,Q2輸出高電平,使兩管均處于截止?fàn)顟B(tài),此時(shí)不會影響電路的輸出。

        第二種情況是當(dāng)高能粒子入射到電路中的敏感節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生SET 瞬態(tài)電流時(shí),電路的輸出電壓突然增大或減小。根據(jù)SET 效應(yīng)產(chǎn)生脈沖信號的方向,比較器Q1或Q2發(fā)生電平轉(zhuǎn)換,繼而開啟其輸出連接的MOS 管,產(chǎn)生補(bǔ)償電流,從而抑制SET 效應(yīng)產(chǎn)生影響。比較器Q1輸入的參考電壓略高于帶隙基準(zhǔn)電路的輸出。

        圖4 中的抗SET 加固電路具有互補(bǔ)的特點(diǎn),如果單粒子射入抗SET 加固電路,在帶隙基準(zhǔn)電路沒有發(fā)生SET 時(shí),比較器連接的P0管(N0管)受SET瞬態(tài)電流的影響而誤開啟,就會產(chǎn)生電流使輸出電壓升高(降低)。當(dāng)比較器輸入的電壓高于(低于)參考電壓時(shí),Q2(Q1)將開啟P0管(N0管)產(chǎn)生補(bǔ)償電流以保證帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓穩(wěn)定,所以此抗SET 加固電路沒有引入新的敏感節(jié)點(diǎn)。

        本設(shè)計(jì)采用的比較器Q1如圖5 所示。Q1與Q2結(jié)構(gòu)與原理基本相同,只有部分MOS 管尺寸存在差異,采用帶有有源電流鏡和實(shí)際電流源的差動(dòng)對,Vin-端為比較放大器的參考電壓。采用電阻分壓的方式,通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻的阻值之比,調(diào)節(jié)出合適的電壓用來做Vin-的輸入電壓。此處Q1輸入的參考電壓為1.22V,Q2輸入的參考電壓為1.16V,具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同工藝與電路應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整。

        圖5 比較器Q1 電路原理圖

        在電路沒有發(fā)生SET 效應(yīng)時(shí),比較器Q1的Vin+端的輸入電壓低于Vin-端的輸入電壓,但是二者的差值不大,M7、M9和M10都處于飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)生SET效應(yīng)時(shí),Vin+的輸入電壓受高能粒子影響突然增大,導(dǎo)致增大而ID9減小,最后導(dǎo)致比較器的輸出電壓增大。Q1輸出的N0管開啟,產(chǎn)生補(bǔ)償電流從而抑制SET 帶來的影響。Q2與Q1同理,當(dāng)發(fā)生SET 效應(yīng)導(dǎo)致電路的輸出電壓突然減小時(shí),比較器Q2連接的PMOS 管導(dǎo)通,產(chǎn)生補(bǔ)償電流,進(jìn)而抑制SET 帶來的影響。

        3 SET 效應(yīng)仿真與分析

        3.1 仿真設(shè)計(jì)

        電路驗(yàn)證采用Cadance 的Spectre 仿真,通過向敏感節(jié)點(diǎn)注入電路的方式進(jìn)行能量粒子入射仿真。常用的SET 效應(yīng)等效電流源基本分為兩種,一種是雙指數(shù)電流源,另一種為分段式電流源。Messenger等人提出的雙指數(shù)電流源的模型[6],如下式:

        其中,Qtot為輻射粒子穿過器件后留在器件內(nèi)部的電荷;τ1為反偏PN 結(jié)的時(shí)間常數(shù),τ2是建立輻射粒子初始化軌跡的時(shí)間常數(shù)。為電流源的峰值電流I0,其參數(shù)為:I0=130 μA,τ1=203 ns,τ2=200 ns。Spectre 仿真時(shí)間為1μs。

        Qtot和粒子的能量傳輸值(LET 值)與收集深度成正比。此處也采用該模型進(jìn)行粒子入射仿真。

        為驗(yàn)證該電流補(bǔ)償電路的加固效果,設(shè)計(jì)了三種電路進(jìn)行仿真結(jié)果對比。第一種是抗輻照加固的帶隙基準(zhǔn)電路;第二種是普通帶隙基準(zhǔn)電路;第三種為復(fù)現(xiàn)文獻(xiàn)[7]中的抗輻照結(jié)構(gòu)。三種電路均采用相同的SMIC 180nm 工藝模型進(jìn)行仿真。

        3.2 單粒子瞬態(tài)仿真

        為了便于比較,對未加固(圖2)和已加固的帶隙基準(zhǔn)電路(圖4)分別進(jìn)行單粒子瞬態(tài)仿真。將相同的雙指數(shù)電流源注入到電路中,使其在帶隙基準(zhǔn)電路的輸出端產(chǎn)生瞬態(tài)電壓[8]。對于未進(jìn)行SET 加固的電路,其電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)間大約分別為20ps 和300ps。

        在圖4 電路中注入雙指數(shù)電流源后,比較器Q1及Q2可以通過輸出電壓的變化,輸出高低電平控制P0管和N0管開啟或截止,進(jìn)而降低對輸出電壓的影響??梢娎盟O(shè)計(jì)的電流補(bǔ)償電路來抑制SET 十分有效。

        正SET 效應(yīng)的仿真波形如圖6 所示。根據(jù)雙指數(shù)電流方向的不同,當(dāng)未加固的電路發(fā)生SET 效應(yīng),輸出電壓變化,由原來的1.19 V 升高至1.64 V,受沉積電荷的影響,電路的輸出電壓與未受SET 影響相比升高約0.45V。加固后,在注入相同數(shù)值的雙指數(shù)電流源后,電路的輸出電壓由1.19 V 升高至1.27V,與加固前的電路相比,輸出電壓振幅由原來的0.45V 降至0.08V,下降了約83%。由此可見比較器Q1及N0管的存在有效地抑制了正SET 效應(yīng)所帶來的影響。

        圖6 正SET 效應(yīng)仿真波形

        當(dāng)電路受到另一方向瞬態(tài)電流源的影響時(shí),仿真得到負(fù)SET 效應(yīng)仿真波形,如圖7 所示。對于未進(jìn)行SET 加固的帶隙基準(zhǔn)電路,其輸出電壓受到雙指數(shù)電流脈沖影響,從1.19V 下降至0.86V,峰值電壓下降約0.33V,對于加固后的電路,輸出電壓下降至1.14V,與加固前相比,其振幅下降了約85%。由此可見比較器Q2及其輸出端連接的P0可以有效降低負(fù)SET 效應(yīng)所帶來的影響。

        圖7 負(fù)SET 效應(yīng)仿真波形

        3.3 電路對比及其優(yōu)點(diǎn)

        在仿真中復(fù)現(xiàn)文獻(xiàn)[7]中的電路,如圖8 所示。此設(shè)計(jì)利用P1管與N1管作為連接帶隙基準(zhǔn)電路輸出與其負(fù)載的開關(guān)。反相器用來控制兩管的開啟與閉合,當(dāng)電路中發(fā)生SET 效應(yīng)導(dǎo)致電路的輸出電壓突然升高或降低時(shí),P1或N1閉合以防止負(fù)載電路受到影響。原文獻(xiàn)中所使用的制程工藝有所不同,為便于比較,在此采用同樣的SMIC 180nm 工藝對其加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),主體電路則采用本設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電路(圖2)。

        圖8 文獻(xiàn)[7]中所用的抗SET 帶隙基準(zhǔn)電壓源

        采用相同激勵(lì)源模擬粒子注入,結(jié)果如圖9 所示。受雙指數(shù)電流源影響,電路的輸出電壓最低下降到1.17 V,最高上升至1.27 V,與加固之前比較,電壓的變化縮小了約95%和83%,抗SET 效果顯著。然而當(dāng)利用同樣數(shù)值的雙指數(shù)電流源注入P1的漏極時(shí),其輸出電壓從1.19V 下降至0.86V,與正常情況相比下降29%,說明P1的漏極為敏感節(jié)點(diǎn)。為驗(yàn)證此觀點(diǎn),將不同尺寸的P1與N1的漏極注入相同數(shù)值的雙指數(shù)電流源,仿真結(jié)果如圖10 所示。

        圖9 復(fù)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿真波形

        圖10 P1 漏極注入雙指數(shù)電流源后的仿真波形

        由圖10 可知P1與N1的尺寸越大,負(fù)載電路的輸入電壓就越穩(wěn)定;P1與N1的尺寸越小,其漏極對SET 就越敏感。當(dāng)MOS 器件W=5μm 及以下時(shí),P1及N1管的漏極在高能粒子入射后會對后部負(fù)載電路造成很大影響,為整個(gè)電路引入了新的敏感節(jié)點(diǎn)。

        由于本設(shè)計(jì)的電路補(bǔ)償電路具有對稱互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn),所以即使N0受到SET 效應(yīng)影響被錯(cuò)誤地打開而導(dǎo)致輸出電壓降低至參考電壓以下,另一端也會保持正常工作,穩(wěn)定地輸出電壓。為了驗(yàn)證此優(yōu)點(diǎn),利用相同數(shù)值的雙指數(shù)電流源對N0的漏端進(jìn)行注入,所得到仿真結(jié)果波形如圖11 所示。將雙指數(shù)電流注入后,帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓從1.19V 下降至1.1V 左右,振幅約為0.09 V,與復(fù)現(xiàn)文獻(xiàn)中的電路相比,性能更加穩(wěn)定。

        圖11 N0 注入雙指數(shù)電流源后的仿真波形

        由仿真波形可知,當(dāng)N0受到SET 影響后,對帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓影響很小,可以忽略不計(jì)。所以,對于本次設(shè)計(jì)的抗SET 帶隙基準(zhǔn)電路,即使其抗SET 結(jié)構(gòu)受到高能粒子轟擊導(dǎo)致其輸出電壓降低,電路通過其結(jié)構(gòu)特性也可以有效地降低SET 效應(yīng)對電路的影響。

        4 結(jié)束語

        隨著器件特征尺寸的不斷縮小,SET 對帶隙基準(zhǔn)電路輸出穩(wěn)定性的影響會越來越顯著。由于帶隙基準(zhǔn)電壓源為負(fù)載電路提供穩(wěn)定電壓,所以企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對帶隙基準(zhǔn)電路抗輻照加固的研究非常重視。由于抗輻射工藝生產(chǎn)廠家少,加固的成本高等原因,用商用工藝進(jìn)行電路級加固仍然是目前的趨勢。本研究主要從電路層面進(jìn)行抗SET 加固,事實(shí)證明,采用電流補(bǔ)償電路,不但可以有效地抑制SET 效應(yīng),還可以避免引入新的敏感節(jié)點(diǎn)。目前,對于帶隙基準(zhǔn)電路的抗輻照加固沒有通用的方法,但無論運(yùn)用何種方式進(jìn)行加固,或多或少都會對電路造成影響,對設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)開銷等多方面考慮才是正確的選擇。

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