抗辐射加固数字集成电路IO库设计

发布时间：2019-09-17 11:16

【摘要】：航天系统中的集成电路,在空间辐射环境下将受到各种辐射效应的影响。因此,在设计抗辐射集成电路时,必须在保证功能、性能和集成度等方面的同时,特别注意抗辐射性能的要求。采用半定制设计的方法,基于经过验证的单元库进行设计,可以简化设计流程,缩短设计周期,并可以最大程度的保证抗辐射集成电路对可靠性的要求。作为集成电路的重要组成部分的输入输出单元电路,不仅能为集成电路提供对外输出驱动和接收外部输入信号,还可以对内部的集成电路以及I/O电路本身进行静电防护,但也因为高电压和大尺寸成为对辐射敏感的部分。本论文采用中芯国际0.13um工艺,设计了一套抗辐射加固的输入输出单元库。此单元库包括输入单元、输出单元、电源单元、地单元和填充单元等。输入单元使用四级反相器构成的反相器链,将外界信号传输到内部,其中外围电压(3.3V)与核心电压(1.2V)的电平转换是通过低电源电压的钳制作用将高电压信号转化成低电压信号的。为了避免给电路中引入不定态,需要带弱上拉作用的输入单元和带弱下拉作用的输入单元,它们与基本的输入单元类似,但有一个不同的是,它们的上拉作用和下拉作用是通过在对应的反相器的输入端增加了一个MOS (Metal Oxide Semiconductor)管。为了使传输到电路内部的信号是一个“干净”的信号,可以在反相器链中增加一个施密特触发器,通过器件转换的门限电压的区别滤除掉输入信号上的噪声。所有输入单元的静电防护电路都是采用的栅耦合MOS管和栅接地MOS管构成的主次防护电路。输出单元利用与非门和或非门延时不同的原理,分别驱动反相器的上拉器件和下拉器件,这样可以比用反相器链直接驱动使功耗减小很多。在输出单元中采用了由六管构成的电平转换电路。采用了栅接地MOS结构构成防护电路。电源和地单元分为三个,一个单元为I/O器件提供1.2V的电源电压,一个单元为I/O器件单元提供3.3V的电源电压,一个单元为I/O器件提供OV的电压,即地电压。在3.3V的单元中,加入了一个信号,这样可以在用它来产生稳定的3.3V电源信号。填充单元是使得外围I/O单元拼接成标准的环形并为外围I/O单元供电的辅助单元。I/0的抗辐射设计主要是从版图的角度进行加固。对I/O影响最大的辐射效应主要为总剂量辐射效应和单粒子效应。总剂量辐射效应会造成阈值电压的漂移和漏电流的产生,但随着集成电路工艺按比例缩小,栅氧厚度越来越薄,阈值电压漂移在0.13umm工艺下的影响已经可以忽略；产生的漏电流主要通过环栅晶体管的设计进行防护。单粒子效应对I/O单元的影响主要体现在单粒子闩锁效应,通过在版图中增加双保护环进行加固。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN431.2

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本文编号：2536830