CN105740555B - 一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法 - Google Patents

一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，首先建立单粒子瞬态脉冲电流源模型，然后利用脉冲波形测试电路对反相器电路的单粒子脉冲进行测试，获得单粒子瞬态脉冲不同电压值下的脉冲宽度，最后利用仿真器对反相器进行仿真模拟，将仿真结果与实际测试的反相器电路单粒子瞬态脉冲电压波形进行对比，校准单粒子瞬态脉冲电流源模型的参数，由此得到准确的等效电流源模型，为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。

Description

一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法
技术领域
本发明涉及单粒子效应研究领域，特别是涉及一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法。
背景技术
随着航天、军事等领域技术的发展，越来越多的集成电路需要在辐射环境下工作。辐射对集成电路产生的效应主要分为两大类：单粒子效应和总剂量效应。
其中，单粒子瞬变效应是影响芯片性能的主要因素。当芯片放置在辐射环境中，周围能量粒子会注入到芯片内部，由于电离辐射作用能量粒子的运动轨迹上产生一定数目的电子、空穴对；这些电子、空穴对在电场的作用下被芯片上的电路节点吸收，改变节点电平。如果所述芯片上的电路中没有反馈回路，那么在单粒子作用的时间结束后，该节点电平又会恢复回原来的值，从而在电路中产生一个脉冲信号，在短时间内对电路节点产生干扰。单粒子效应可细分为三类：1、单粒子软错误效应：包括单粒子反转效应，单粒子瞬变效应，单粒子多翻转效应等，在短时间内对电路节点产生干扰。2、具有潜在危险性的效应：如单粒子闩锁效应，如不加以控制，可能会导致芯片发生单粒子烧毁。3、单粒子硬错误效应，如位移损伤等，会使得芯片中的晶体管彻底不能工作。
为了能够避免上述单粒子瞬变效应，首先需要对单粒子效应进行研究，比如对单粒子脉冲信号宽度等特征进行准确测量，进而为抗单粒子效应的改进提供理论参数。
鉴于以上所述，本发明提供一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，以为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，以为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，所述建模方法包括：步骤1)，采用“VerilogA”语言对单粒子入射产生电子空穴对的漂移扩散过程进行描述，建立单粒子瞬态脉冲电流源模型；步骤2)，利用脉冲波形测试电路对反相器电路的单粒子脉冲进行测试，获得单粒子瞬态脉冲不同电压值下的脉冲宽度；步骤3)，利用电路模拟软件“Cadence”的“Spectre”仿真器对反相器进行仿真模拟，将仿真结果与实际测试的反相器电路单粒子瞬态脉冲电压波形进行对比，校准“VerilogA”单粒子瞬态脉冲电流源模型的参数，由此得到准确的等效电流源模型，为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。
作为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的一种优选方案，步骤1)中，所述单粒子瞬态脉冲电流源模型为：
I(t)＝I0(e-αt-e-βt)
其中，I0为脉冲的峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数。
作为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的一种优选方案，步骤1)中，若加入节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态脉冲电流源模型为：
其中，I0为脉冲的峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为电流源实时电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。
优选地，在一个CMOS反向器中，当输出为高电平时，若高能粒子射入处于关态的n管的沟道区，由于源漏之间存在电压，电离出的电子、空穴在电场的作用下形成电流脉冲，通过解析计算得到I0的表达式为：
其中，LET为入射粒子的线性能量传输值；q为电子电荷量1.6*10-19C；μn为电子的迁移率；NA为沟道掺杂浓度1019/cm3；ε为硅的介电常数11.9；xp为沟道一侧空间电荷区的宽度。
进一步地，对于单边突变结有：
其中，V为外加偏置电压；Vd为内建电势差。
作为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的一种优选方案，步骤2)中，所述脉冲波形测试电路包括：脉冲产生模块，用于收集单粒子轰击信息，产生瞬态电压脉冲输出；脉冲不同电压值感应模块，连接于所述脉冲产生模块，用于在瞬态电压脉冲的不同电压值翻转，完成脉冲电压值感应；脉冲捕捉模块，连接于所述脉冲不同电压值感应模块，用于把矩形脉冲宽度，转化为二进制代码。
优选地，所述脉冲产生模块包括单个CMOS反相器，其中，高电平状态NMOS导通，PMOS截止，此时单粒子轰击PMOS的漏端，产生第一单粒子瞬态脉冲输出信号；低电平状态PMOS导通，NMOS截止，此时单粒子轰击NMOS的漏端，产生第二单粒子瞬态脉冲输出信号。
优选地，所述脉冲不同电压值感应模块由多个不同翻转阈值的缓冲器组成。
进一步地，所述缓冲器包括串联的第一CMOS反相器及第二CMOS反相器，通过调节所述第一CMOS反相器的PMOS与NMOS的宽长比和开启导通阈值VT，获得多个不同翻转阈值的缓冲器。
作为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的一种优选方案，所述脉冲捕捉模块由反相器链和DFF触发器链组成。
如上所述，本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，具有以下有益效果：本发明首先建立单粒子瞬态脉冲电流源模型，然后利用脉冲波形测试电路对反相器电路的单粒子脉冲进行测试，获得单粒子瞬态脉冲不同电压值下的脉冲宽度，最后利用仿真器对反相器进行仿真模拟，将仿真结果与实际测试的反相器电路单粒子瞬态脉冲电压波形进行对比，校准单粒子瞬态脉冲电流源模型的参数，由此得到准确的等效电流源模型，为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。
附图说明
图1显示为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的步骤流程示意图。
图2显示为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的脉冲波形测试电路的结构示意图。
图3显示为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的脉冲波形测试电路的延时链电路的单元电路示意图。
图4显示为本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法的脉冲波形测试电路的并串转换电路以及DFF触发器链的结构示意图。
元件标号说明
1 传输门
2 反相器
3 传输门
4 反相器
S11～S13 步骤1)～步骤3)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图4所示，本实施例提供一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，所述建模方法包括：
如图1所示，首先进行步骤1)S11，采用“VerilogA”语言对单粒子入射产生电子空穴对的漂移扩散过程进行描述，建立单粒子瞬态脉冲电流源模型。
高能粒子射入MOS管的沟道区，电离产生大量的电子-空穴对，在外加电场作用下进行漂移运动，导致电子和空穴分别被漏极和源极收集，产生瞬时电流脉冲。IBM研究发现高能粒子的入射电离程度随着入射深度的增加而减小，提出漏斗模型。由于漏斗区内电子-空穴对的漂移对器件单粒子翻转的贡献很小，因此只分析电子空穴对在空间电荷区的漂移过程。
经过一定的简化和近似，可以得到单粒子瞬态脉冲电流源模型为：
I(t)＝I0(e-αt-e-βt)
其中，I0为脉冲的峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数。
在一个CMOS反向器中，当输出为高电平时，若高能粒子射入处于关态的n管的沟道区，由于源漏之间存在电压，电离出的电子、空穴在电场的作用下形成电流脉冲，通过解析计算得到I0的表达式为：
其中，LET为入射粒子的线性能量传输值；q为电子电荷量1.6*10-19C；μn为电子的迁移率；NA为沟道掺杂浓度1019/cm3；ε为硅的介电常数11.9；xp为沟道一侧空间电荷区的宽度。
对于单边突变结有：
其中，V为外加偏置电压；Vd为内建电势差。
在整个SEU事件中，敏感节点的偏压V(t)与电流脉冲I(t)是负反馈的关系。开始时偏压为电源电压，瞬态电流脉冲导致敏感节点电压大幅度下降，源漏之间电势差变小，使Xp,I(t)也随之减小，电压下降得越来越慢。
若加入节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态脉冲电流源模型为：
其中，I0为脉冲的峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为电流源实时电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。
如图1～图4所示，然后进行步骤2)S12，利用脉冲波形测试电路对反相器电路的单粒子脉冲进行测试，获得单粒子瞬态脉冲不同电压值下的脉冲宽度。
如图2所示，作为示例，所述脉冲波形测试电路包括：脉冲产生模块，用于收集单粒子轰击信息，产生瞬态电压脉冲输出；脉冲不同电压值感应模块，连接于所述脉冲产生模块，用于在瞬态电压脉冲的不同电压值翻转，完成脉冲电压值感应；脉冲捕捉模块，连接于所述脉冲不同电压值感应模块，用于把矩形脉冲宽度，转化为二进制代码。
作为示例，所述脉冲产生模块包括单个CMOS反相器，其中，高电平状态NMOS导通，PMOS截止，此时单粒子轰击PMOS的漏端，产生第一单粒子瞬态脉冲输出信号；低电平状态PMOS导通，NMOS截止，此时单粒子轰击NMOS的漏端，产生第二单粒子瞬态脉冲输出信号。
作为示例，所述脉冲不同电压值感应模块由多个不同翻转阈值的缓冲器组成。进一步地，所述缓冲器包括串联的第一CMOS反相器及第二CMOS反相器，通过调节所述第一CMOS反相器的PMOS与NMOS的宽长比和开启导通阈值VT，获得多个不同翻转阈值的缓冲器。
具体地，正常的缓冲器(buffer)在1.2V的电源电压下，一般为两个在0.6V处翻转的反相器串联。通过调节PMOS与NMOS的宽长比和开启导通阈值VT，可获得不同的在0.4V、0.5V、0.7V、0.8V处翻转的反相器，与正常反相器组合，可获得不同翻转阈值的缓冲器，其中，几种组合的结构如下：
A.高阈值VT的PMOS与低阈值VT的NMOS组合，选用低PMOS与NMOS的宽长比，可获得脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.4V处宽度的矩形脉冲；
B.正常阈值VT的PMOS与正常阈值VT的NMOS组合，选用低PMOS与NMOS的宽长比，可获得脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.5V处宽度的矩形脉冲；
C.正常阈值VT的PMOS与正常阈值VT的NMOS组合，选用低PMOS与NMOS的宽长比，可获得脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.7V处宽度的矩形脉冲；
D.低阈值VT的PMOS与高阈值VT的NMOS组合，选用高PMOS与NMOS的宽长比，可获得脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.8V处宽度的矩形脉冲；
作为示例，所述脉冲捕捉模块由反相器链和DFF触发器链组成，具体为由触发控制电路，延时链电路以及并串转换电路组成。
所述触发控制电路，用于检测延时链输入端是否有瞬态脉冲输入，脉冲当脉冲波形来时，输出信号HOLD高电平，PASS低电平；无脉冲输入，HOLD信号保持低电平，PASS信号保持高电平；使用Reset信号，可使输出信号复位为HOLD低电平，PASS高电平
如图3所示，所述延时链电路，由传输门1、反相器2、传输门3、以及反相器4组成的电路单元，100级首尾连接组成。
当HOLD低电平，PASS高电平时，传输门1导通，传输门3关闭，每一级的输出连着下一级的输入，脉冲可以在100级反相器和传输门组成的延时链上传输；
当HOLD高电平，PASS低电平时，传输门1关闭，传输门3导通，反相器2、4形成闭环，延时链断开为100级存储电路，保存反相器的状态。
如图4所示，在时钟的控制下，由并串转换电路、DFF触发器链依次读出每一级延时链的存储状态“010111000......”，完成所有输出后，使用Reset信号，可初始化HOLD、PASS状态(HOLD低电平，PASS高电平)，使电路可测量下一个脉冲。
本实施例采用反相器的延时时间的倍数来标定SET脉冲的时间宽度。对于所有脉冲宽度为[(N–0.5)×反向器延时时间t]到[(N+0.5)×反向器延时时间t]之间的脉冲，将有N级反相器受到影响(数量为N)。单粒子瞬态脉冲宽度(TW)可计算为：
Tw＝ΔT×NFF±ΔT/2
其中，ΔT为延时链每一级的延时，NFF为受脉冲影响的DFF级的个数，脉冲宽度的测量精度为±半个反相器的传输延时。
如图1所示，最后进行步骤3)S13，利用电路模拟软件“Cadence”的“Spectre”仿真器对反相器进行仿真模拟，将仿真结果与实际测试的反相器电路单粒子瞬态脉冲电压波形进行对比，校准“VerilogA”单粒子瞬态脉冲电流源模型的参数，由此得到准确的等效电流源模型，为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。
如上所述，本发明的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，具有以下有益效果：本发明首先建立单粒子瞬态脉冲电流源模型，然后利用脉冲波形测试电路对反相器电路的单粒子脉冲进行测试，获得单粒子瞬态脉冲不同电压值下的脉冲宽度，最后利用仿真器对反相器进行仿真模拟，将仿真结果与实际测试的反相器电路单粒子瞬态脉冲电压波形进行对比，校准单粒子瞬态脉冲电流源模型的参数，由此得到准确的等效电流源模型，为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于，所述建模方法包括：
步骤1)，采用“VerilogA”语言对单粒子入射产生电子空穴对的漂移扩散过程进行描述，建立单粒子瞬态脉冲电流源模型，若加入节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态脉冲电流源模型为：
其中，I0为脉冲的峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为电流源实时电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子，其中e为自然常数；
步骤2)，利用脉冲波形测试电路对反相器电路的单粒子脉冲进行测试，获得单粒子瞬态脉冲不同电压值下的脉冲宽度；
步骤3)，利用电路模拟软件“Cadence”的“Spectre”仿真器对反相器进行仿真模拟，将仿真结果与实际测试的反相器电路单粒子瞬态脉冲电压波形进行对比，校准“VerilogA”单粒子瞬态脉冲电流源模型的参数，由此得到准确的等效电流源模型，为电路提供准确的瞬态脉冲电流源模型。
2.根据权利要求1所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：步骤1)中，所述单粒子瞬态脉冲电流源模型为：
I(t)＝I0(e-αt-e-βt)
其中，I0为脉冲的峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数。
3.根据权利要求1或2所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：在一个CMOS反向器中，当输出为高电平时，若高能粒子射入处于关态的n管的沟道区，由于源漏之间存在电压，电离出的电子、空穴在电场的作用下形成电流脉冲，通过解析计算得到I0的表达式为：
其中，LET为入射粒子的线性能量传输值；q为电子电荷量1.6*10-19C；μn为电子的迁移率；NA为沟道掺杂浓度1019/cm3；ε为硅的介电常数11.9；xp为沟道一侧空间电荷区的宽度。
4.根据权利要求3所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：对于单边突变结有：
其中，V为外加偏置电压；Vd为内建电势差。
5.根据权利要求1所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：步骤2)中，所述脉冲波形测试电路包括：
脉冲产生模块，用于收集单粒子轰击信息，产生瞬态电压脉冲输出；
脉冲不同电压值感应模块，连接于所述脉冲产生模块，用于在瞬态电压脉冲的不同电压值翻转，完成脉冲电压值感应；
脉冲捕捉模块，连接于所述脉冲不同电压值感应模块，用于把矩形脉冲宽度，转化为二进制代码。
6.根据权利要求5所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：所述脉冲产生模块包括单个CMOS反相器，其中，高电平状态NMOS导通，PMOS截止，此时单粒子轰击PMOS的漏端，产生第一单粒子瞬态脉冲输出信号；低电平状态PMOS导通，NMOS截止，此时单粒子轰击NMOS的漏端，产生第二单粒子瞬态脉冲输出信号。
7.根据权利要求5所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：所述脉冲不同电压值感应模块由多个不同翻转阈值的缓冲器组成。
8.根据权利要求7所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：所述缓冲器包括串联的第一CMOS反相器及第二CMOS反相器，通过调节所述第一CMOS反相器的PMOS与NMOS的宽长比和开启导通阈值VT，获得多个不同翻转阈值的缓冲器。
9.根据权利要求1所述的单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法，其特征在于：所述脉冲捕捉模块由反相器链和DFF触发器链组成。
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