Bant Boşluğu Referans Kaynağının Tek Olay Duyarlılık Analizi
Entegre devrelerin özellik boyutu azalmaya devam ettikçe, tek olay etkisi, uzay entegre devrelerin çalışma durumunu etkileyen ana faktör haline gelmiştir.Tek Olay Geçici Olayı (SET), entegre devrelerdeki yumuşak hataların ana kaynağı haline gelmiştir. Şu anda, analog entegre devrelerin doğruluğu gittikçe artıyor ve hız gittikçe artıyor Küçük bir voltaj bozulması bile analog devre üzerinde çok büyük bir etkiye sahip olacak ve ardından tüm sistemin arızalanmasına neden olacaktır. Analog devre, tek olay efektinin getirdiği gürültüye ve bozulmaya karşı çok hassastır.Analog entegre devrede SET etkisi, tüm tek olay efektlerinin güçlendirilmesi ve azaltılması için en çok ihtiyaç duyulan şeydir.
Analog entegre devrede, yapı devre için sıcaklıktan bağımsız bir ön gerilim sağlamak için kullanılır ve analog entegre devrenin temel modüllerinden biridir. LDO devresi, PLL devresi ve dijitalden analoğa dönüştürme devresi gibi ortak olarak, bant boşluğu referans kaynağı tasarımı yaygın olarak kullanılmaktadır. Bant aralığı referans kaynağının tek parçacık hassasiyetinin analiz edilmesi, analog entegre devrelerin güçlendirilmesi için büyük önem taşımaktadır. Bu makale, geleneksel bir bant aralığı referans kaynak devresinin hassas düğümlerini analiz etmek için tek olaylı bir geçici darbe akım modeli kullanır.Bant aralığı referans kaynağında kullanılan PNP bipolar tüp, tek olay hassasiyetini doğrulamak için üç boyutlu olarak modellenir ve simüle edilir. karakteristik. Son olarak, bant aralığı referans kaynağı için anti-tek olay geçici takviye tasarımı önerilmiştir.
1 Bant aralığı referans kaynağının temel yapısı
Bu makaledeki bant aralığı referans kaynak devresi, temel Kuijk bant aralığı referans kaynak yapısını kullanır. Ana yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Sıfır sıcaklık katsayısına sahip 1,2 V referans voltajı, R2 ve R3 dirençlerinin oranı ve PNP tüpünün öngerilim akımının oranı ayarlanarak elde edilir.
Bu bant aralığı referans kaynağının ana gövdesi, bir "kenetleme" işlevi sağlayan bir amplifikatör devresidir. Bu bant aralığı referans kaynağında tipik bir iki aşamalı amplifikatör kullanılır ve açık döngü birim kazanç bant genişliği yaklaşık 7 MHz'dir. Amplifikatörün ana yapısı ve mevcut öngerilim devresi Şekil 2'de gösterilmektedir. Öngerilim devresinin işlevi, amplifikatörün normal çalışması için gereken ön gerilim akımını sağlamaktır.
2 Bant aralığı referans kaynağının tek olaya duyarlı düğümünün analizi
Radyasyon ortamındaki yüksek enerjili parçacıklar entegre devreye girer ve cihazın hassas alanını etkiler Olay izi çevresinde çok sayıda elektron deliği çifti üretilecektir Cihaz tarafından elektron deliği çiftleri daha fazla toplandığında, yoldan aşağı inecek bir geçici darbe oluşacaktır. Yayılma, devrenin toplam çıkışı bir geçici dalgalanma eğrisi üretecektir Bu devredeki geçici darbe, tek olay geçici etkisi olarak adlandırılır. Genel olarak, PMOS tüpü veya NMOS tüpü kapatıldığında, drenaj ile kuyu arasında ters taraflı bir PN bağlantısı oluşacaktır.Bu sırada, tek bir partikül içeri sürüldüğünde, ters taraflı PN bağlantısının tükenme bölgesi hızla toplanacaktır. Tek bir parçacık yükü, devrenin durumunda bir değişikliğe yol açan geçici bir darbe akımı oluşturur. Genel olarak, tek olaylı geçici darbe akım modeli, Şekil 3'te gösterildiği gibi, entegre devrelerin tek olay hassasiyetini simüle etmek için kullanılan ana araçtır. Devre tek bir parçacık tarafından bombardımana tutulduğunda, fazla taşıyıcılar tükenme bölgesindeki elektrik alanın etkisi altında sürüklenir ve yayılır ve bir akım darbesi oluşturur. Tek olaylı geçici akım darbesi modelini kullanarak, tek olaylı geçici etkilerin devre üzerindeki etkisi yarı kantitatif olarak analiz edilebilir, yani tüm devrenin tek olaylı duyarlılık analizi, devre düzeyinde radyasyon sertleştirme tasarımı için bir referans sağlamak için kullanılabilir.
Devredeki her bir düğüme aynı darbe akımını ayrı ayrı enjekte edin ve çıkış voltajının bozulma derecesini ve kurtarma süresini kaydederek tek olaya duyarlı düğümü karşılaştırın ve bulun. Bu fikre dayanarak, bant aralığı referans kaynağının amplifikatör devresi üzerinde tek olaylı simülasyon enjeksiyonu gerçekleştirilir Şekil 2'de gösterildiği gibi, amplifikatörün her bir düğümü üzerinde geçici darbe akımı enjeksiyonu gerçekleştirilir ve darbe akımının toplam enjekte edilen yükü, yaklaşık 2.02 pC'dir. Sonuçlar Tablo 1'de gösterilmektedir.
Tablo 1'den, amplifikatörün ana yapısının enjekte edilen tek olaylı geçici darbe akımına daha duyarlı olduğu görülebilir. Bunlar arasında, birinci aşama amplifikatörünün çıkış düğümü O ve ikinci aşamanın çıkış düğümü P, tek olaylı geçici darbe akımına en güçlü yanıtı verir.
3 Dikey PNP tüp modelleme ve bant aralığı referans kaynağında tek olay etkisi simülasyonu
Bant aralığı referans kaynağında kullanılan PNP cihazına gelince, daha önce literatürde üzerinde çok az araştırma yapılmıştır. Bant aralığı referans kaynağında, amplifikatörün girişini belirlediği için, PNP'sinin tek olay duyarlılık analizi çok önemlidir. Bununla birlikte, mevcut literatür, diyot bağlı dikey PNP tüpünün tek olay etkisinin analizine uygun devre düzeyinde bir modele sahip değildir PNP tüpünün tek olay hassasiyetini daha iyi analiz etmek için, onu modellemek için TCAD yazılımını kullanmayı seçiyoruz. Tam üç boyutlu simülasyon. Şekil 4, 0.18 m işlem kitaplığındaki Spice modeline dayalı, 25 m2'lik bir yayıcı alana sahip dikey bir PNP modelini göstermektedir.
Tasarlanan bant aralığı referans kaynak devresinde dikey PNP bipolar tüp taban kollektörleri Şekil 1'de gösterildiği gibi bağlanır. Tek parçacık davranışını daha fazla analiz etmek, simülasyon karmaşıklığını basitleştirmek ve simülasyon hızını hızlandırmak için, Şekil 5'te gösterildiği gibi basitleştirilmiş küçük bir devre benimsenmiştir. Küçük bir devrede PNP tüpünün bombardımanını simüle etmek için TCAD'de tek partikül modeli kullanıldığında, yayıcı potansiyelindeki değişiklik Şekil 6'da gösterilmektedir. Tek bir parçacık PNP'ye çarptığında, kollektör bağlantısının tükenme bölgesi tarafından büyük miktarda yük toplanacak ve taban ve kolektör daha büyük bir akım oluşturacaktır.Yayıcı ve daha büyük direnç seri olarak bağlandığından, yoldaki akım daha küçüktür, bu nedenle Verici, yaklaşık 1 ns süren bir voltaj kesintisi üretecek ve potansiyel 0,64 V'den 0,29 V'a düşecektir. Fazlalık taşıyıcılar yalnızca kollektör bağlantısı yoluyla tüketilebilir ve taban ve kolektör akımları, Şekil 6'da gösterildiği gibi emitör akımının düzinelerce katıdır.
Gerçek devrede, bant aralığı referans kaynağının amplifikatör giriş empedansı nispeten büyüktür ve açık döngü kazanç bant genişliği yalnızca 7 MHz'dir ve yanıt süresi nispeten yavaştır Tek bir olay girişi olduğunda, çıkış voltajı geri besleme direnci aracılığıyla PNP'ye akımı sağlayacaktır. Daha küçük, böylece yayıcı potansiyeli hızlı bir şekilde geri kazanılamaz, bu da uzun süre dengesiz çalışma koşullarına neden olur. Bu nedenle, TCAD'de elde edilen PNP tek partikül davranış modeli, Şekil 7'de gösterildiği gibi 0,5 V aşağı çekilen 3 ns'lik anlık voltaj darbesi olarak çıkarılmış ve basitleştirilmiştir.
Bu tasarımı kullanarak, PNP tek olay hassasiyetinin bant boşluğu referans kaynağı üzerindeki etkisi devre seviyesinde analiz edilir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, bant boşluğu referans kaynağının giriş düğümleri M ve N için, PNP tüpü üzerindeki tek olay etkisinin etkisini simüle etmek için sırasıyla darbe voltaj kaynakları eklenir. Simülasyon sonucu Şekil 8'de gösterilmektedir. Darbe voltaj kaynağı N düğümüne eklendiğinde, bant aralığı referans kaynağının çıkışı yaklaşık 1.04 V'a düşer ve yaklaşık 500 ns sürer. Bu nedenle, bant aralığı referans kaynak yapısında, PNP tüpü de çok hassas bir cihazdır.
4 Bant aralığı referans kaynağı takviye tasarımı
Önceki analize göre, geleneksel bant aralığı referans kaynağında çok sayıda tek partikül duyarlı düğüm vardır ve bant aralığı referans kaynağında kullanılan dikey PNP cihazları da tek partiküllere karşı çok hassastır. Bant aralığı referans kaynağı için, her bir hassas düğüm için karşılık gelen güçlendirme tasarımı gerçekleştirilirse, kaçınılmaz olarak genel devre performansını etkileyecektir ve karmaşıklığı büyüktür Bu nedenle, bant aralığı referans kaynağının fiili uygulaması Şekil 9'da gösterilmiştir. Güçlendirilmiş tasarım gösterilmiştir. Bant aralığı referans kaynağının çıkış ucuna bir RC filtre devresi eklenir.Bant aralığı referans kaynağının çıkış voltajı değiştiğinde, RC filtre devresinden akan geçici akım kondansatör tarafından toplanacak, böylece bant boşluğu çıkış voltajı yavaşça değişecektir.
5. Sonuç
Bu yazıda, geleneksel bir bant aralığı referans kaynak devresinin tek olay hassasiyetini analiz etmek için tek olaylı bir geçici darbe akımı modeli kullanılmıştır. Analiz, amplifikatör devresinde, çıkış düğümünün tek olaylı geçici olaylara son derece duyarlı olduğunu buldu Tek bir olay girdiğinde, üretilen geçici akım, çıkış voltajını etkileyecek ve bu da bir sonraki aşama devresinin çıkışını etkileyecektir. Ek olarak, yenilikçi bir şekilde TCAD simülasyonu aracılığıyla, bant aralığı referans kaynağında kullanılan dikey PNP bipolar tüpün tek partikül hassasiyeti doğrulandı. PNP tüpü için, tek bir partikülün etkisi altında, bant aralığı referans kaynağının çıktısı daha belirgin bir bozulmaya sahip olacaktır. Son olarak, bant aralığı referans kaynağının tek partikül duyarlılığı özellikleri ışığında, genel bir takviye tasarım önerisi önerilmektedir.
Referanslar
Zhao Yuanfu, Wang Liang, Yue Suge ve diğerleri. SEU ve SET of 65 nm bulk CMOS flip-flop and their implications on RHBD. IEEE Process on Nuclear Science, 2015, 62 (6): 2666-2672.
POPP J D. Ticari ultra derin mikron altı CMOS süreçlerinde çip ASIC'lerinde radyasyonla sertleştirilmiş kompleks sistem geliştirme. 2010 IEEE Nükleer ve Uzay Radyasyon Etkileri Konferansı Kısa Kursu, Denver, Temmuz 2010.
Richard Razawi. Analog CMOS entegre devrelerin tasarımı Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2002.
BROKAW A P.A basit üç uçlu IC bant aralığı referansı. IEEE Journal of Solid-State Circuit, 1974, 1 (9): 388-393.
NASHIYAMA I, HIRAO T, KAMIYA T, ve diğerleri.Yüksek enerjili iyon mikro ışınları tarafından indüklenen tek olaylı akım geçişleri. Nükleer Bilim IEEE İşlemleri, 1993, 40 (6): 1935-1940.
yazar bilgileri:
Sui Chenglong, Han Xupeng, Wang Liang, Liu Jiaqi, Li Tongde, Cao Weiyi, Zhao Yuanfu
(Pekin Mikroelektronik Teknolojisi Enstitüsü, Pekin 100076)
