DICE加固结构触发器的重离子实验研究

摘 要：基于0.18μm工艺平台,对双互锁存储单元（Double Interlocked Storage Cell,DICE）结构的触发器电路进行重粒子试验,重点验证单粒子效应（Single Event Effect,SEE）中的单粒子翻转（Single Event Upset,SEU）对体硅CMOS工艺器件及电路的影响。对比分析不同频率、不同驱动能力、不同版图结构和不同电压这四种情况下的辐照数据,验证电路抗辐照性能的有效性。实验结果表明：在实际工作中合理考虑DICE触发器的工作频率、工作电压、版图面积、节点驱动等因素,可满足航空航天应用的需求。     

基于130nm PD-SOI工艺存储单元电路的抗辐射加固设计

基于130 nm部分耗尽绝缘体上硅(SOI) CMOS工艺,设计并开发了一款标准单元库.研究了单粒子效应并对标准单元库中存储单元电路进行了抗单粒子辐射的加固设计.提出了一种基于三模冗余(TMR)的改进的抗辐射加固技术,可以同时验证非加固与加固单元的翻转情况并定位翻转单元位置.对双互锁存储单元(DICE)加固、非加固存储单元电路进行了性能及抗辐射能力的测试对比.测试结果显示,应用DICE加固的存储单元电路在99.8 MeV ·cm2 ·mg_1的线性能量转移(LET)阈值下未发生翻转,非加固存储单元电路在37.6 MeV·cm2·mg_1和99.8 MeV·cm2·mg_1两个LET阈值下测试均发生了翻转,试验中两个版本的基本单元均未发生闩锁.结果证明,基于SOI CMOS工艺的抗辐射加固设计(RHBD)可以显著提升存储单元电路的抗单粒子翻转能力.     

面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法

随着新型电子器件越来越多地被机载航电设备所采用,单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)故障已经成为影响航空飞行安全的重大隐患。首先,针对由于单粒子翻转故障的随机性,该文对不同时刻发生的单粒子翻转故障引入了多时钟控制,构建了SEU故障注入测试系统。然后模拟真实情况下单粒子效应引发的多时间点故障,研究了单粒子效应对基于FPGA构成的时序电路的影响,并在线统计了被测模块的失效数据和失效率。实验结果表明,对于基于FPGA构建容错电路,采用多时钟沿三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR) 加固技术可比传统TMR技术提高约1.86倍的抗SEU性能;该多时钟SEU故障注入测试系统可以快速、准确、低成本地实现单粒子翻转故障测试,从而验证了SEU加固技术的有效性。     

SiGeBiCMOS线性器件脉冲激光单粒子瞬态效应研究

验证SiGe BiCMOS工艺线性器件的单粒子瞬态（Single Event Transient,SET）效应敏感性,选取典型运算放大器THS4304和稳压器TPS760进行了脉冲激光试验研究。试验中,通过能量逐渐逼近方法确定了其诱发SET效应的激光阈值能量,并通过逐点扫描的办法分析了器件内部单粒子效应敏感区域,并在此基础上分析了脉冲激光能量与SET脉冲的相互关系,获得了单粒子效应截面,为SiGe BiCMOS工艺器件在卫星电子系统的筛选应用以及抗辐射加固设计提供数据参考。     

基于分离位线DICE结构的SRAM存储单元版图抗辐射设计

在SRAM加固设计中,存储单元的版图抗辐射设计起着重要的作用。基于分离位线的双互锁存储单元（DICE）结构,采用0.18μm体硅工艺,根据电路功能、结构和抗辐射性能,设计了一种新的NMOS隔离管的SRAM存储单元版图结构。根据分析结果,SRAM存储单元在确保存储单元功能的前提下,具备抗总剂量效应、抗单粒子翻转和抗单粒子闩锁效应,同时可实现单元面积的最优化。     

一种抗单粒子瞬态扰动触发器加固结构

提出了一种新型的电阻-电容抗辐射触发器加固结构(RC-DICE),并与DICE结构加固触发器、RDFDICE结构加固触发器进行了比较。测试电路利用0.18μm体硅CMOS工艺进行流片,单粒子验证试验在中国原子能科学研究院抗辐射应用技术创新中心进行。结果证明:新型抗辐射加固触发器在50 MHz工作频率下,单粒子翻转线性能量转移阈值≥37 MeV·cm~2/mg,能够满足航天应用的需求。     

基于三模冗余结构的自刷新寄存器设计

设计了一种带自刷新功能的寄存器,该寄存器采用两级数据锁存结构,在第二级锁存结构中设计了一个选择电路。该选择电路采用三选二机制,用于三模冗余结构中取代常用寄存器,选择数据来自三模冗余结构的三路输出。有两路值相同,输出结果为该值,用于修正寄存器的输出值。在0.13μm工艺条件下用此结构设计的寄存器,面积为32.4μm×8.4μm,动态功耗0.072μW·MHz-1,建立时间0.1 ns,保持时间0.08 ns。该结构用于三模冗余结构中,可有效防止单粒子翻转效应(Single Event Upset,SEU)的发生。测试结果表明采用该结构的寄存器组成的存储单元三模冗余加固结构,在时钟频率1 GHz时,单粒子翻转错误率小于10-5。     

一种单粒子效应加固输入接口电路的设计

提出一种新颖的单粒子效应加固输入接口电路,采用组合逻辑延迟后运算处理的方案。该电路基于华润上华600 V BCD 0.8 μm工艺进行电路设计和流片,并在中科院国家空间科学中心完成单粒子辐照测试。仿真测试结果表明,提出的输入接口电路可以有效免疫线性能量传递值(LET)在80 MeV·cm2/mg以下单粒子翻转(SEU)事件,特别是对多个节点同时发生单粒子翻转事件的情况,提出的电路抗单粒子翻转可靠性较高。     

32×32位三端口寄存器堆的加固设计

为了克服集成电路在辐射环境下所受的影响,在SMIC0．18μm工艺下,设计一款应用于LEON3处理器核中的加固的32X32位三端口寄存器堆．存储单元内部采用改进的双向互锁存储单元（DICE）N,外围组合电路采用C-element结构．电路模拟结果表明,室温条件下,工作电压为1．8V,寄存器堆工作在200MHz时,能够实现两读一写的功能,并能同时消除单粒子翻转（SEu）和单粒子瞬态（sET）效应．与汉明码加固方式相比,该方法具有较高的抗辐射能力和较快的速度．     

用SOI技术提高CMOS SRAM的抗单粒子翻转能力

提高静态随机存储器（SRAM）的抗单粒子能力是当前电子元器件抗辐射加固领域的研究重点之一。体硅CMOS SRAM不作电路设计加固则难以达到较好抗单粒子能力,作电路设计加固则要在芯片面积和功耗方面做出很大牺牲。为了研究绝缘体上硅（SOI）基SRAM芯片的抗单粒子翻转能力,突破了SOI CMOS加固工艺和128kb SRAM电路设计等关键技术,研制成功国产128kb SOI SRAM芯片。对电路样品的抗单粒子摸底实验表明,其抗单粒子翻转线性传输能量阈值大于61．8MeV／（mg／cm^2）,优于未做加固设计的体硅CMOS SRAM。结论表明,基于SOI技术,仅需进行器件结构和存储单元的适当考虑,即可达到较好的抗单粒子翻转能力。     

抗单粒子翻转效应的SRAM研究与设计

在空间应用和核辐射环境中,单粒子翻转(SEU)效应严重影响SRAM的可靠性。采用错误检测与校正(EDAC)和版图设计加固技术研究和设计了一款抗辐射SRAM芯片,以提高SRAM的抗单粒子翻转效应能力。内置的EDAC模块不仅实现了对存储数据"纠一检二"的功能,其附加的存储数据错误标志位还简化了SRAM的测试方案。通过SRAM原型芯片的流片和测试,验证了EDAC电路的功能。与三模冗余技术相比,所设计的抗辐射SRAM芯片具有面积小、集成度高以及低功耗等优点。     

0.18μm自偏置锁相环抗单粒子辐射加固技术研究

设计了一款抗辐射自偏置锁相环(PLL),对PLL电路中关键逻辑进行单粒子效应分析,找出敏感节点,再对这些节点进行加固设计。该PLL电路用SMIC 0.18μm 1P4MCMOS工艺实现了设计。加固后的电路在中国原子能科学研究院核物理研究所,选择入射能量为206MeV、LET为37MeV·cm2/mg的72 Ge离子进行了单粒子辐射试验。PLL未发生失锁现象,能够满足航天应用的需求。     

高能带电粒子对卫星光通信系统的影响分析

高能带电粒子环境是影响卫星光通信系统性能的重要因素之一,分析了由高能带电粒子引起的单粒子翻转效应及总剂量效应(Single Event Upset),分析结果表明,为了有效减小卫星光通信器件的单粒子翻转率,需要对轨道倾角和轨道高度进行优化设计;而为了有效克服总剂量效应,除了简单的防护方法外,还可以考虑预留较多的系统富余量.     

一种双栅结构抗单粒子翻转加固SRAM存储单元

通过对单粒子效应以及抗单粒子翻转电路加固原理进行分析,提出一种基于双栅MOS结构的具有单粒子翻转加固能力的SRAM存储单元。该单元在实现抗单粒子翻转加固的同时具有快速翻转恢复、快速写入、低静态功耗的特点。基于0.18μm CMOS工艺进行电路仿真,结果显示该加固单元读/写功能正确,翻转阈值大于100 Me V·cm2/mg。可以预测,该电路应用于空间辐射环境下将有较好的稳定性。     

SRAM型FPGA单粒子翻转测试及加固技术研究

SRAM型FPGA空间应用日益增多,只有针对其特点设计相应的单粒子试验的测试程序才能系统、准确地获取该类芯片的单粒子翻转特性,为抗辐射加固设计提供依据.阐述了单粒子翻转的静态和动态的测试方法.静态测试包括硬件设计和配置位回读程序的设计;动态测试主要针对CLB(配置逻辑单元)和BRAM(块存储器)两部分进行了相应的软件测...     

一种抗辐射LVDS驱动电路IP设计

低压差分信号(Low Voltage Differential Signaling,LVDS)在航天通讯领域有着广泛的应用,为解决LVDS驱动器电路在宇宙辐射环境中的单粒子闩锁和总剂量问题,给出了低成本抗辐射解决方案,提出了一种改进结构的抗辐射加固技术,不仅解决了现有工艺下带隙基准电路的温漂问题,而且还可以利用设计的抗辐射单元库来满足抗辐射加固要求,简化了电路设计。基于0.18μm CMOS工艺模型库,利用Hspice进行仿真,该电路传输速率达到400 Mb/s,具有抗单粒子特性,满足航空航天领域对抗辐射LVDS驱动电路的使用要求。     

星载Flash型FPGA单粒子翻转加固试验研究

针对低等级器件抗辐射能力较差的特点,需开展应用加固以满足宇航应用,对一款Flash型现场可编程门阵列(FPGA)开展抗单粒子翻转(SEU)加固设计,并利用地面模拟试验进行加固效果验证,结果表明器件加固后块随机存储器(BRAM)区翻转截面下降近2个数量级,寄存器单粒子翻转截面下降约75%,验证了加固措施的有效性。结合典型轨道环境,计算了器件在轨翻转率,BRAM区翻转率下降4~5个量级,寄存器翻转率下降2~3个量级,可为在轨应用提供指导。     

基于RHBD技术的深亚微米抗辐射SRAM电路的研究

研究了目前业内基于抗辐射加固设计(RHBD)技术的静态随机存储器(SRAM)抗辐射加固设计技术,着重探讨了电路级和系统级两种抗辐射加固方式。电路级抗辐射加固方式主要有在存储节点加电容电阻、引入耦合电容、多管存储单元三种抗辐射加固技术;系统级抗辐射加固方式分别是三态冗余(TMR)、一位纠错二位检错(SEC-DED)和二位纠错(DEC)三种纠错方式,并针对各自的优缺点进行分析。通过对相关产品参数的比较,得到采用这些抗辐射加固设计可以使静态随机存储器的软错误率达到1×10-12翻转数/位.天以上,且采用纠检错(EDAC)技术相比其他技术能更有效提高静态随机存储器的抗单粒子辐照性能。     

一种多模式SRAM单粒子试验系统的设计与实现

提出了一种基于NIOS II的异步SRAM单粒子效应检测系统,用于评估抗辐射加固SRAM电路的抗单粒子效应能力.该检测系统可以对异步SRAM进行四种工作模式下的动态和静态检测,利用该检测系统在重离子加速器上对一款异步SRAM进行了单粒子效应试验,获得了5种离子的试验数据,统计分析后得到了器件的单粒子翻转阈值、单粒子翻转饱和截面和单粒子翻转在轨错误率,并与国外同款电路进行了对比,最后依据试验结果给出了评估结论.     

存储单元抗TID/SEL电路加固技术面积代价研究

在太空辐射环境中,总剂量辐射(Total Ionizing Dose,TID)效应和单粒子闩锁(Single Event Latch,SEL)效应严重影响存储器的可靠性.由此讨论了存储单元TID效应和SEL效应的原理,探讨了基于电路的加固技术(RHBD),设计了4种新的抗TID/SEL存储单元加固方案,并和现有几种方案进行对比,研究了这些加固方案的面积代价.研究结果表明,抗TID/SEL RHBD方案普遍会使存储单元的版图面积增加87.5%以上.提出了一种加固方案,可以在加固性能和面积代价上得到较好的折衷.