文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183103
中文引用格式: 隋成龍,,韓旭鵬,王亮,,等. 帶隙基準(zhǔn)源單粒子敏感性分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(12):5-8.
英文引用格式: Sui Chenglong,,Han Xupeng,,Wang Liang,et al. Single event sensitivity analysis of bandgap reference[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(12):5-8.
0 引言
隨著集成電路特征尺寸的不斷減小,,單粒子效應(yīng)越來越成為影響空間集成電路工作狀態(tài)的主要因素,,單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient,SET)已經(jīng)成為集成電路軟錯(cuò)誤的主要來源[1],。目前模擬集成電路的精度越來越高,,速度越來越快,即使微小的電壓擾動(dòng)也會(huì)對(duì)模擬電路造成非常大的影響,,進(jìn)而造成整個(gè)系統(tǒng)的失常,。模擬電路對(duì)于單粒子效應(yīng)引入的噪聲和擾動(dòng)十分敏感,,在模擬集成電路中SET效應(yīng)是所有單粒子效應(yīng)中最需要進(jìn)行加固消減的[2]。
在模擬集成電路中,,帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)被用來為電路提供一個(gè)與溫度無關(guān)的偏置電壓,,是模擬集成電路的基本模塊之一,。在常見的如LDO電路,、PLL電路及數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中,廣泛應(yīng)用了帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì),。分析帶隙基準(zhǔn)源的單粒子敏感特性,,對(duì)模擬集成電路加固具有重要意義。本文通過采用單粒子瞬態(tài)脈沖電流模型對(duì)一款常規(guī)帶隙基準(zhǔn)源電路進(jìn)行了敏感節(jié)點(diǎn)分析,,對(duì)于帶隙基準(zhǔn)源中使用的PNP雙極管進(jìn)行了三維建模并且仿真驗(yàn)證了其單粒子敏感特性,。最后,針對(duì)帶隙基準(zhǔn)源提出了抗單粒子瞬態(tài)加固設(shè)計(jì),。
1 帶隙基準(zhǔn)源基本結(jié)構(gòu)
本文的帶隙基準(zhǔn)源電路采用了基本的Kuijk帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)[3-4],。其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過調(diào)節(jié)電阻R2和R3的比值以及PNP管偏置電流的比值得到一個(gè)具有零溫度系數(shù)的1.2 V參考電壓[4],。
對(duì)于此帶隙基準(zhǔn)源其主體為提供“鉗位”功能的放大器電路,。在此帶隙基準(zhǔn)源中使用了典型的兩級(jí)放大器,其開環(huán)單位增益帶寬約為7 MHz,。放大器的主體結(jié)構(gòu)及其電流偏置電路如圖2所示,,其偏置電路功能為提供放大器正常工作所需的偏置電流。
2 帶隙基準(zhǔn)源單粒子敏感節(jié)點(diǎn)分析
在輻射環(huán)境中的高能粒子入射集成電路,,影響器件的敏感區(qū)域,,在入射軌跡周圍將產(chǎn)生大量電子空穴對(duì),當(dāng)電子空穴對(duì)被器件進(jìn)一步收集,,將形成瞬態(tài)脈沖,,沿著通路向下傳播,在電路的總輸出端將產(chǎn)生瞬態(tài)的波動(dòng)變化曲線,,這種電路中的瞬態(tài)脈沖被稱為單粒子瞬態(tài)效應(yīng),。一般來說,當(dāng)PMOS管或者NMOS管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),,其漏極和阱之間將形成反偏PN結(jié),,此時(shí)當(dāng)單粒子打入后,反偏PN結(jié)的耗盡區(qū)將會(huì)快速收集單粒子電荷,,形成瞬態(tài)脈沖電流,,從而導(dǎo)致電路狀態(tài)的變化。通常來說,,單粒子瞬態(tài)脈沖電流模型是用于仿真集成電路單粒子敏感性的主要工具[5],,如圖3所示,。當(dāng)電路受到單粒子轟擊后,過剩載流子在耗盡區(qū)電場(chǎng)影響下進(jìn)行漂移和擴(kuò)散,,形成電流脈沖,。使用單粒子瞬態(tài)電流脈沖模型,可以半定量地分析單粒子瞬態(tài)效應(yīng)對(duì)于電路的影響,,即對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行單粒子敏感性分析,,進(jìn)而為電路級(jí)的輻射加固設(shè)計(jì)提供參考。
將相同的脈沖電流分別注入電路中的各個(gè)節(jié)點(diǎn),,通過記錄輸出電壓的擾動(dòng)程度和恢復(fù)時(shí)間可以對(duì)比找出單粒子敏感節(jié)點(diǎn),。基于此思想,,對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的放大電路進(jìn)行單粒子模擬注入,,如圖2中所示,分別對(duì)放大器各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行瞬態(tài)脈沖電流注入,, 脈沖電流總注入電荷約為2.02 pC,。其結(jié)果如表1所示。
由表1可知,,對(duì)于放大器的主體結(jié)構(gòu)來說其對(duì)注入的單粒子瞬態(tài)脈沖電流較為敏感,。其中,第一級(jí)放大器的輸出節(jié)點(diǎn)O及第二級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)P,,其對(duì)單粒子瞬態(tài)脈沖電流的響應(yīng)最為強(qiáng)烈,。
3 帶隙基準(zhǔn)源中垂直型PNP管建模及單粒子效應(yīng)仿真
對(duì)于帶隙基準(zhǔn)源中使用的PNP器件,此前文獻(xiàn)中對(duì)其研究較少,。在帶隙基準(zhǔn)源中,,由于其決定了放大器的輸入,因此,,對(duì)其的PNP的單粒子敏感性分析十分重要,。然而,現(xiàn)有的文獻(xiàn)并無適用于二極管接法垂直型PNP管單粒子效應(yīng)分析的電路級(jí)模型,,為了更好地分析PNP管的單粒子敏感性,,選擇使用TCAD軟件對(duì)其進(jìn)行建模,進(jìn)行全三維仿真,。圖4所示是根據(jù)0.18 μm工藝庫里的Spice模型建立的垂直PNP模型,,其發(fā)射極面積為25 μm2。
在設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源電路中,,垂直PNP雙極管基極集電極相連,,如圖1所示。為了進(jìn)一步分析其單粒子行為,簡(jiǎn)化仿真復(fù)雜度,,加快仿真速度,,采用了如圖5所示的簡(jiǎn)化小電路。使用TCAD中的單粒子模型模擬轟擊小電路中PNP管時(shí),,其發(fā)射極電位變化如圖6所示,。單粒子打在PNP上,大量的電荷將被集電結(jié)耗盡區(qū)收集,,基極和集電極產(chǎn)生較大電流,,而由于發(fā)射極和較大的電阻串聯(lián),在其通路上電流較小,,因此發(fā)射極將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)約1 ns的電壓擾動(dòng),,電位從0.64 V降至0.29 V。而過剩載流子只能通過集電結(jié)進(jìn)行消耗,,基極與集電極電流為發(fā)射極電流的幾十倍,如圖6所示,。
在實(shí)際的電路中,,帶隙基準(zhǔn)源的放大器輸入阻抗較大,且其開環(huán)增益帶寬只有7 MHz,,反應(yīng)時(shí)間較慢,,當(dāng)單粒子打入后,由輸出電壓經(jīng)反饋電阻提供到PNP的電流較小,,使得發(fā)射極電位無法快速恢復(fù),,造成較長(zhǎng)時(shí)間的不穩(wěn)定工作狀態(tài)。因此,,將TCAD中得到的PNP單粒子行為模型提取出來,,將其簡(jiǎn)化為一個(gè)向下拉0.5 V的持續(xù)3 ns的瞬時(shí)電壓脈沖,如圖7所示,。
利用此設(shè)計(jì),,在電路級(jí)上分析PNP單粒子敏感性對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的影響。對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的輸入節(jié)點(diǎn)M,、N,,如圖1所示,分別添加脈沖電壓源,,模擬單粒子效應(yīng)對(duì)PNP管造成的影響,。對(duì)于其仿真結(jié)果如圖8所示,當(dāng)脈沖電壓源添加在N節(jié)點(diǎn)上,,帶隙基準(zhǔn)源的輸出降低至1.04 V左右,,持續(xù)約500 ns。因此帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)中,PNP管也是十分敏感的器件,。
4 帶隙基準(zhǔn)源加固設(shè)計(jì)
由前文的分析可知,,常規(guī)帶隙基準(zhǔn)源中存在多個(gè)單粒子敏感節(jié)點(diǎn),且在帶隙基準(zhǔn)源中使用的垂直PNP器件也是對(duì)單粒子十分敏感的器件,。對(duì)于帶隙基準(zhǔn)源,,如果對(duì)每一敏感節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行相應(yīng)的加固設(shè)計(jì),勢(shì)必會(huì)對(duì)整體電路性能造成影響,,且其復(fù)雜度大,,因此,在帶隙基準(zhǔn)源的實(shí)際應(yīng)用中使用了如圖9所示的加固設(shè)計(jì),。在帶隙基準(zhǔn)源的輸出端添加RC濾波電路,,當(dāng)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓發(fā)生變化時(shí),流經(jīng)RC濾波電路的瞬態(tài)電流將被電容收集,,使帶隙輸出電壓緩慢變化,。
5 結(jié)論
本文針對(duì)一款常規(guī)帶隙基準(zhǔn)源電路,使用單粒子瞬態(tài)脈沖電流模型進(jìn)行了單粒子敏感性分析,。分析發(fā)現(xiàn),,在放大器電路中,其輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)于單粒子瞬態(tài)極為敏感,,當(dāng)單粒子打入時(shí),,產(chǎn)生的瞬態(tài)電流將影響其輸出電壓,進(jìn)而影響下一級(jí)電路輸出,。并且,,創(chuàng)新性地通過TCAD仿真,驗(yàn)證了帶隙基準(zhǔn)源中使用的垂直型PNP雙極管的單粒子敏感性,。對(duì)于PNP管,,在單粒子的作用下,帶隙基準(zhǔn)源輸出將會(huì)出現(xiàn)較明顯的擾動(dòng),。最后,,針對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的單粒子敏感特性,提出了整體加固設(shè)計(jì)建議,。
參考文獻(xiàn)
[1] Zhao Yuanfu,,Wang Liang,Yue Suge,,et al.SEU and SET of 65 nm bulk CMOS flip-flops and their implications for RHBD[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,,2015,62(6):2666-2672.
[2] POPP J D.Developing radiation hardened complex system on chip ASICs in commercial ultra-deep submicron CMOS processes[C].2010 IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference Short Course,,Denver,,Jul.2010.
[3] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,,2002.
[4] BROKAW A P.A simple three terminal IC bandgap reference[J].IEEE Journal of Solid-State Circuit,1974,,1(9):388-393.
[5] NASHIYAMA I,,HIRAO T,KAMIYA T, et al.Single-event current transients induced by high energy ion microbeams[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,,1993,,40(6):1935-1940.
作者信息:
隋成龍,韓旭鵬,,王 亮,,劉家齊,李同德,,曹煒亦,,趙元富
(北京微電子技術(shù)研究所,北京100076)