CN110752863B - 一种多线间单粒子串扰的估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多线间单粒子串扰的估计方法，属于串扰测量技术领域，该方法步骤包括：第一步，确定集总式RC耦合互连线模型参数；第二步，构建单粒子串扰等效电路；第三步，计算各施扰线单独作用下，受扰线的响应电压；第四步，建立受扰线综合单粒子串扰估计模型；第五步，确定串扰峰值电压和脉冲宽度。本发明通过定义导纳规则，利用SET等效电路、电压基本定律、替代定理和叠加定理，建立了多线间单粒子串扰的估计方法，通过求导运算和泰勒公式展开，给出了单粒子串扰峰值电压和脉冲宽度的解析表达式，能够准确估计多线间单粒子串扰的波形及噪声峰值。

Description

一种多线间单粒子串扰的估计方法
技术领域
本发明涉及串扰测量技术领域，具体是一种多线间单粒子串扰的估计方法。
背景技术
随着空间技术、核科学和电子技术的快速发展，越来越多的先进微电子器件被应用到航空、航天及战略武器的电子系统中，在宇宙线、地磁场俘获粒子等的作用下，经受着空间辐射的严峻考验。据统计，自1971年至1986年，国外的39颗同步卫星共发生故障1589次，其中空间辐射引起的故障占71％，而在这些故障中，单粒子效应(Single EventEffect，SEE)造成的占55％。我国的6颗同步卫星出现的故障中，与空间辐射相关的也达到了40％。此外，国内外航天器故障的最新统计数据显示，在空间环境导致的故障中，由SEE诱发的占28.5％。可见，SEE严重威胁着电路系统的可靠性，特别是在航空、航天、核设施等辐射环境恶劣的应用中，可能会导致灾难性事故的发生。常见的SEE主要有：单粒子瞬态(Single Event Transient，SET)和单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)。
由于先进技术的不断进步，互连线间的间隔宽度比变小、厚度宽度比增加，导致互连线间的耦合效应增强。器件特征尺寸的不断缩减，使得互连线间串扰效应变得十分显著，已成为集成电路性能退化的一个重要因素。因此，在电路芯片设计流水线和信号完整性分析的早期阶段，必须考虑互连线间串扰效应的影响。在驱动-互连线负载系统中，准确估计串扰波形及噪声峰值成为一个很重要的研究内容。
公告号为CN 105453501 B的专利公开了一种串扰估计方法、装置和系统。该发明提供的串扰处理方法、装置和系统，线路的收发器根据矢量化控制实体分配的导频序列，分别生成与其它线路的导频训练信号满足预设关系的不同频谱范围内的导频训练信号，使线路的接收器可分别根据不同的导频训练信号确定样本误差，从而使矢量化控制实体确定其它线路对该线路的带内频谱、带外频谱的串扰信道系数，从而通过对该线路的待发送数据信号进行预编码处理，即可消除其它线路对该线路带内和带外频谱间的串扰影响，降低了不同属性线路共存的系统内，由于线路间的串扰对线路速率的影响，从而增加了FTTC提速的效果和稳定性。但是，该发明不能解决在驱动-互连线负载系统中估计串扰波形及噪声峰值的问题。
公告号为CN 101645754 B的专利公开了一种用于估计预编码组中的通信线路之间的串扰的串扰估计设备。该串扰估计设备包括用于发送导频序列的发送装置和用于接收预编码组中一个或多个通信线路上的差错反馈的接收装置。该串扰估计设备还包括用于将该导频序列和该差错反馈相组合从而获得通信线路之间的串扰估计的串扰估计装置。该设备还包括用于从预编码组中选择包括一个或多个通信线路的子集的选择装置。该发送装置适于只在所述子集上发送导频序列。该发明以减少的计算功率来估计串扰，不能准确反映串扰波形及噪声峰值。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供的一种能够准确估计串扰波形及噪声峰值的多线间单粒子串扰的估计方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多线间单粒子串扰的估计方法，包括以下步骤：
S1:根据信号传播时延近似，将分布式RC耦合互连线模型替代成集总式RC耦合互连线模型；
S2:在所述集总式RC耦合互连线模型的基础上，利用替代定理，将每条互连线的输入端等效成RC并联网络，输出端等效成电容，发生SET的结点等效成电阻、电容和电流源并列网络，构建等效电路；
S3:在所述等效电路的基础上，利用叠加定理和结点分析法，分别计算各施扰线单独作用下，受扰线的响应电压；
S4:根据所述各施扰线单独作用下受扰线的响应电压，进行线性叠加，得到受扰线远端的综合单粒子串扰电压；
S5:根据所述受扰线远端的综合单粒子串扰电压，利用求导运算和泰勒公式展开，确定单粒子串扰的峰值电压和脉冲宽度。
进一步的，各施扰线单独作用下受扰线的响应电压确定方法，包括以下步骤：
1)把电路中结点导纳的拉普拉斯变换，按泰勒公式展开到三次项，来近似表示结点的导纳，并定义串联电容、并列汇集等基本的导纳规则；
2)在一条施扰线作用时，其他施扰线的输入置零：电压源用短路代替，电流源用开路代替；
3)利用所定义的导纳规则，确定电路中各结点的导纳；
4)根据施扰线近端点的导纳，利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代施扰线近端负载，基于欧姆定律，得到施扰线近端的电压；
5)利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代施扰线远端负载，结合施扰线近端电压，根据串联网络电压分配规律，确定施扰线远端的电压；
6)针对施扰线到受扰线之间的耦合线，依次利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代耦合线远端负载，根据电压分配规律，确定耦合线远端的电压；
7)根据最接近受扰线的耦合线的远端电压，结合受扰线远端的导纳，利用欧姆定律，确定受扰线的远端电压。
目前对串扰噪声的估计开展了大量研究。互连线间串扰效应可导致一个SET脉冲沿着多个不相关的路径传播，而非单个入射路径传播，从而增加电路的SET易受攻击部分和敏感性。Balasubramanian等在《Measurement and analysis of interconnect crosstalkdue to single events in a 90nm CMOS technology》(IEEE Transactions On NuclearScience,2008,55(4):2079-2084)中分析了深亚微米CMOS技术下影响串扰脉冲的因素，利用90nm工艺的单个和两个光子激光吸收技术，测试并证实单粒子串扰(Single EventCrosstalk,SEC)的存在。Rai等在《Temperature-dependent modeling and performanceanalysis of coupled MLGNR interconnects》(International Journal of CircuitTheory and Application,2018,46:299-312)中分析了温度对串扰噪声的影响。Agarwal等在《Modeling and analysis of crosstalk noise in coupled RLC interconnects》(IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits andSystems,2006,25(5):892-901)中基于传输线理论，建立了两线间串扰噪声的预测模型。Sayil等在《Single event crosstalk prediction in nanometer technologies》(AnalogIntegr Circ Sig Process,2012,72:205-214)中采用互连线的4-π模型预测两线间单粒子串扰噪声，该方法可准确对非转换攻击点及带有阻抗屏蔽效应的攻击点树分枝的影响进行建模。李鑫等在《工艺随机扰动下非均匀RLC互连线串扰的谱域方法分析》(电子学报,2009,37(2):398-405)中提出一种基于谱域随机方法的互连线串扰分析方法。Kumar等在《Anaccurate model for dynamic crosstalk analysis of CMOS gate driven on-chipinterconnects using FDTD method》(Microelectronics Journal,2014,45:441-448)中利用FDTD方法构建了斜阶跃输入时两线间串扰噪声的估计模型，并推广到了三线串扰的预测中，估计结果与SPICE的误差较小，但运行时间较长。Sahoo等在《Modeling and analysisof crosstalk induced effects in multiwalled carbon nanotube bundleinterconnects:an ABCD parameter-based approach》(IEEE Transactions onNanotechnology,2015,14:259-274)中基于ABCD参数矩阵的方法，提出了斜阶跃输入时三线间串扰噪声的估计模型，计算过程及结果复杂度较高。
现有的单粒子串扰估计模型均是针对两线的，缺少多线间单粒子串扰预测的相关报道，而针对斜阶跃输入的多线(绝大部分是三线)串扰噪声研究中，电路仿真和估计模型或运行时间偏长，或模型的计算和复杂度较高，或估计误差偏大，且鲜有关于多线串扰的通用估计模型。因此，迫切需要构建一种实用、简便、准确、通用的模型来估计多线间的单粒子串扰电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种多线间单粒子串扰的估计方法，在集总式RC耦合互连线模型的基础上，通过定义导纳规则，利用SET等效电路、电压基本定律、替代定理和叠加定理，建立了多线间单粒子串扰的估计方法，通过求导运算和泰勒公式展开，给出了单粒子串扰峰值电压和脉冲宽度的解析表达式。
该方法有效地将互连线的分布式RC属性融入到集总式耦合模型中，建立了一种运算时间短、相对误差较小的多线间单粒子串扰估计方法，可为大规模集成电路可靠性分析及评估、信号完整性分析、加固电路设计和SET传播特性研究提供重要的理论依据和技术支撑。
附图说明
图1为本发明多线间单粒子串扰估计方法流程图；
图2为本发明分布式RC耦合互连线模型图；
图3为本发明等效的集总式RC耦合互连线模型图；
图4为本发明单粒子串扰估计等效电路图；
图5为本发明导纳基本规则示意图；
图6为本发明SET单独作用下的电路图；
图7为本发明施扰线远端等效电路图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
如图1所示，一种多线间单粒子串扰的估计方法，包括以下步骤：
S1:根据信号传播时延近似，将分布式RC耦合互连线模型替代成集总式RC耦合互连线模型；
S2:在所述集总式RC耦合互连线模型的基础上，利用替代定理，将每条互连线的输入端等效成RC并联网络，输出端等效成电容，发生SET的结点等效成电阻、电容和电流源并列网络，构建等效电路；
S3:在所述等效电路的基础上，利用叠加定理和结点分析法，分别计算各施扰线单独作用下，受扰线的响应电压；
S4:根据所述各施扰线单独作用下受扰线的响应电压，进行线性叠加，得到受扰线远端的综合单粒子串扰电压；
S5:根据所述受扰线远端的综合单粒子串扰电压，利用求导运算和泰勒公式展开，确定单粒子串扰的峰值电压和脉冲宽度。
各施扰线单独作用下受扰线的响应电压确定方法，包括以下步骤：
1)把电路中结点导纳的拉普拉斯变换，按泰勒公式展开到三次项，来近似表示结点的导纳，并定义串联电容、并列汇集等基本的导纳规则；
2)在一条施扰线作用时，其他施扰线的输入置零：电压源用短路代替，电流源用开路代替；
3)利用所定义的导纳规则，确定电路中各结点的导纳；
4)根据施扰线近端点的导纳，利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代施扰线近端负载，基于欧姆定律，得到施扰线近端的电压；
5)利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代施扰线远端负载，结合施扰线近端电压，根据串联网络电压分配规律，确定施扰线远端的电压；
6)针对施扰线到受扰线之间的耦合线，依次利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代耦合线远端负载，根据电压分配规律，确定耦合线远端的电压；
7)根据最接近受扰线的耦合线的远端电压，结合受扰线远端的导纳，利用欧姆定律，确定受扰线的远端电压。
本发明的方法是：第一步，确定集总式RC耦合互连线模型参数；第二步，构建单粒子串扰等效电路；第三步，计算各施扰线单独作用下，受扰线的响应电压；第四步，建立受扰线综合单粒子串扰估计模型；第五步，确定串扰峰值电压和脉冲宽度。
本发明实施例实现上述本发明方法的具体步骤如下：
步骤1，确定集总式RC耦合互连线模型参数。
以m条反相器链并行布局为例，提取互连线电容、电阻参数，将互连线分为n段，采用互连线的分布式RC模型，得到原始电路如图2所示。根据信号传播时延近似原则，利用式(1)-(3)对原始电路进行等效，得到等效的集总式互连线耦合电路，如图3所示。
Figure BDA0002248565310000081
Figure BDA0002248565310000082
Figure BDA0002248565310000083
其中，rij、Cgij分别表示第i条互连线第j段的电阻和对地电容，Ccij是第i条和第i+1条互连线间的第j段耦合电容；Ri、Ci和Cci分别表示等效后的第i条互连线集总电阻、电容和耦合电容。
步骤2，构建单粒子串扰等效电路。
将每条互连线输出端的反相器用负载电容进行等效，输入端用电阻和电容并联网络等效，粒子撞击结点注入等效的双指数电流源，其他线的输入源不变。为了便于说明问题，本实施例中假设存在2条施扰线、1条受扰线，其他线处于静止状态(“0”或“1”态)，其中，第k线发生单粒子效应，第1线输入阶跃电压，第h线为受扰线，得到单粒子串扰等效电路如图4所示。
步骤3，计算各施扰线单独作用下，受扰线的响应电压。
步骤31，定义导纳基本规则。
用Y(s)表示电路中结点导纳的拉普拉斯变换，那么将导纳按泰勒公式展开，可得：
Figure BDA0002248565310000091
其中yn是第n阶泰勒展开系数。对于大多数应用而言，导纳展开到三次项就可较准确地描述线性电路的瞬态响应，即导纳近似表示为：
Y(s)＝y0+y1s+y2s2+y3s3+O(s4) (5)
在构建单粒子串扰的估计方法过程中，需用到以下几个基本的导纳规则，见式(6)-(9)，图示说明如图5所示。
Rule1：串联电容
Figure BDA0002248565310000092
Figure BDA0002248565310000093
Figure BDA0002248565310000094
Figure BDA0002248565310000095
Rule2：串联电容和电阻
Figure BDA0002248565310000101
Figure BDA0002248565310000102
Figure BDA0002248565310000103
Figure BDA0002248565310000104
其中，p＝1/(1+Ry0)。
Rule3：并联汇聚
Figure BDA0002248565310000105
Figure BDA0002248565310000106
Figure BDA0002248565310000107
Figure BDA0002248565310000108
其中，yi,n(i＝1,2,n＝0,1,2,3)是第i线导纳的第n阶泰勒展开系数。
Rule4：串联“T”型电容
Figure BDA0002248565310000109
Figure BDA00022485653100001010
Figure BDA00022485653100001011
Figure BDA00022485653100001012
其中，
Figure BDA00022485653100001013
k＝1+C3/C2
步骤32，非作用施扰线置零。
根据叠加定理，本实施例首先计算第k线单独作用下的单粒子串扰，其他输入源置零：电压源用短路代替，电流源用开路代替，重新整理得到电路图如图6所示。
步骤33，确定结点的导纳。
分别从第1线和第m线向施扰线方向计算各结点的导纳。由于施扰线是通过耦合电容与其他线相连的，结合导纳规则Rule1，只需计算导纳的一次项就可得到施扰线的导纳。依据上述定义的四个导纳规则，分别计算各结点的导纳：
Figure BDA0002248565310000111
Figure BDA0002248565310000112
Figure BDA0002248565310000113
Figure BDA0002248565310000114
其中，i＝2,3,…,k-1,j＝k+1,…,m-1.
综合结点k-1和k+1的导纳，根据导纳规则，可以得到施扰线近端点的导纳为：
Figure BDA0002248565310000115
步骤34，确定施扰线近端电压。
根据上述施扰线近端导纳，利用电阻、电容并联网络对电路进行等效，基于欧姆定律，计算得到施扰线近端电压。
Figure BDA0002248565310000116
其中，
Figure BDA0002248565310000117
步骤35，确定施扰线远端电压。
根据结点k-1和k+1的导纳，分别利用电阻、电容并联网络对两个结点进行等效，电路图如图7所示，图中，
Figure BDA0002248565310000121
Figure BDA0002248565310000122
Figure BDA0002248565310000123
Figure BDA0002248565310000124
根据电压分配规律，可得到施扰线远端电压：
Figure BDA0002248565310000125
其中，
Figure BDA0002248565310000126
Figure BDA0002248565310000127
Figure BDA0002248565310000128
Figure BDA0002248565310000129
Figure BDA00022485653100001210
Figure BDA00022485653100001211
步骤36，确定耦合线远端电压。
从施扰线开始，依次计算与受扰线间耦合线的远端电压。
Figure BDA00022485653100001212
Figure BDA00022485653100001213
其中，
Figure BDA00022485653100001214
Figure BDA00022485653100001215
Figure BDA00022485653100001216
Figure BDA0002248565310000133
步骤37，确定受扰线的远端电压。
根据受扰线距施扰线的远近程度，结合两者之间的耦合线远端电压，可得到受扰线远端电压。
Figure BDA0002248565310000131
步骤4，建立受扰线综合单粒子串扰估计模型。
根据上述步骤3，计算各施扰线单独作用下，受扰线的响应电压，进行线性叠加，得到受扰线远端的综合单粒子串扰电压。并进行拉普拉斯反变换，得到单粒子串扰电压的时域表达式Vc(t)。
步骤5，确定串扰峰值电压和脉冲宽度。
为了得到峰值电压，对单粒子串扰电压Vc(t)求导，使其等于零。
Figure BDA0002248565310000132
由于上式包含有指数项，故很难求出闭式解。通过观察Vc(t)的波形，发现Vc(t)存在两个极值：最大值和最小值，这意味着式(16)含有两个求解时间常数，因此，我们采用泰勒公式来求解式(16)。将泰勒公式：
ex＝1+x+x2/2+O(x3) (17)
代入式(16)进行简化，忽略高阶无穷小项，可得关于时间t的二次方程。求解次方程，得到峰值时间tpeak。进而可得到峰值电压Vpeak＝Vc(tpeak)。
为了计算串扰的脉冲宽度，令Vc(t)等于零，利用泰勒公式简化计算过程，求解方程，得到时间差，即为脉冲宽度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种多线间单粒子串扰的估计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:根据信号传播时延近似，将分布式RC耦合互连线模型替代成集总式RC耦合互连线模型；
S2:在所述集总式RC耦合互连线模型的基础上，利用替代定理，将每条互连线的输入端等效成RC并联网络，输出端等效成电容，发生单粒子瞬态的结点等效成电阻、电容和电流源并列网络，构建等效电路；
S3:在所述等效电路的基础上，利用叠加定理和结点分析法，分别计算各施扰线单独作用下，受扰线的响应电压；
S4:根据所述各施扰线单独作用下受扰线的响应电压，进行线性叠加，得到受扰线远端的综合单粒子串扰电压；
S5:根据所述受扰线远端的综合单粒子串扰电压，利用求导运算和泰勒公式展开，确定单粒子串扰的峰值电压和脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的多线间单粒子串扰的估计方法，其特征在于：各施扰线单独作用下受扰线的响应电压确定方法，包括以下步骤：
1）把电路中结点导纳的拉普拉斯变换，按泰勒公式展开到三次项，来近似表示结点的导纳，并定义串联电容、并列汇集基本的导纳规则；
2）在一条施扰线作用时，其他施扰线的输入置零：电压源用短路代替，电流源用开路代替；
3）利用所定义的导纳规则，确定电路中各结点的导纳；
4）根据施扰线近端点的导纳，利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代施扰线近端负载，基于欧姆定律，得到施扰线近端的电压；
5）利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代施扰线远端负载，结合施扰线近端电压，根据串联网络电压分配规律，确定施扰线远端的电压；
6）针对施扰线到受扰线之间的耦合线，依次利用替代定理，用等效电阻、电容并联电路替代耦合线远端负载，根据电压分配规律，确定耦合线远端的电压；
7）根据最接近受扰线的耦合线的远端电压，结合受扰线远端的导纳，利用欧姆定律，确定受扰线的远端电压。
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