鄧玉良，羅春華，李洛宇，劉云龍

(深圳市國(guó)微電子有限公司，廣東深圳518000)

隨著集成電路特征尺寸的減小和電路對(duì)高速、大帶寬和低電壓的需求增加，電流型電路逐步受到廣泛關(guān)注。由于電流型比較器的低電壓、高速及與數(shù)字CMOS集成電路工藝兼容等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、濾波器和振蕩器等系統(tǒng)。

常見(jiàn)電流比較器有以下兩種:源跟隨型電流比較器［1］，由于有一段死區(qū)使得輸入阻抗很大，難以工作在高速系統(tǒng)中;電阻負(fù)反饋型電流比較器［2］，由于負(fù)反饋降低了輸入和輸出阻抗，使得后級(jí)放大器很難判斷，而且隨工藝、電壓、溫度(PVT)變化時(shí)性能差別很大。因此這兩種電流比較器難以在應(yīng)用于PROM存儲(chǔ)器。

由于需研制的抗輻照PROM存儲(chǔ)器速度較快，因此在研制過(guò)程中采用了本文提出的電流型比較器。由于PROM存儲(chǔ)單元通過(guò)的電流小，因此要求該電流型比較器輸入阻抗較小;由于PROM存儲(chǔ)器中采用了多個(gè)電流型比較器，因此需要對(duì)這些電流型比較器之間進(jìn)行較好的匹配;同時(shí)因?yàn)榭馆椪誔ROM存儲(chǔ)器工作環(huán)境復(fù)雜，因此要求該比較器在工藝、電壓、溫度(PVT)變化時(shí)保持良好的一致性。綜上所述，經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，本文提出的電流型比較器達(dá)到了上述要求，使得抗輻照PROM存儲(chǔ)器能夠穩(wěn)定工作在25 MHz頻率下，同時(shí)抗輻照測(cè)試結(jié)果表明，該比較器也有良好的抗輻照能力。

本文主要針對(duì)存儲(chǔ)器在高速及抗輻照方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，為該類(lèi)型器件在航空航天系統(tǒng)中應(yīng)用提供了保障，同時(shí)為高速抗輻照芯片設(shè)計(jì)提供參考。

1 基準(zhǔn)電流源電路結(jié)構(gòu)

本文所采用電流源為圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)高精度電流基準(zhǔn)，將帶隙電壓經(jīng)過(guò)反饋加載在電阻上生成基準(zhǔn)電流［3-8］。由于本文所采用的電流同時(shí)作為偏置電流和閾值電流，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電流。

相對(duì)于存儲(chǔ)器常用的普通基準(zhǔn)電流，本文中的基準(zhǔn)電流更加穩(wěn)定，隨電源溫度變化非常小，數(shù)字噪聲影響減小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。所采用的電阻溫度特性和電壓特性都比較好，但絕對(duì)值偏差較大;通過(guò)查找相應(yīng)流片模式下SMIC 0.18 μm工藝的PCM參數(shù)，能夠得到很好的電阻阻值分布。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，基準(zhǔn)電流相對(duì)溫度變化小于100×10-6/℃，電源電壓引起基準(zhǔn)電流變化小于100×10-6/V，能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用。

圖1 基準(zhǔn)電流結(jié)構(gòu)

2 比較器電路結(jié)構(gòu)

比較器主要由3部分組成，如圖2所示。關(guān)鍵電路在于比較器輸入端和參考端形成的電流鏡，其思路主要為實(shí)現(xiàn)低輸入阻抗及較高輸出阻抗［3-7］。由于比較器輸出端有較大負(fù)載，因此改為普通電流鏡，這樣能夠使偏置電流迅速地為比較器輸入端充電;同時(shí)保持MOS管匹配和增加L值，減小失配和噪聲帶來(lái)的影響，詳細(xì)分析參考第3部分。

圖2 比較器電路結(jié)構(gòu)

第1部分為電流閾值調(diào)節(jié)，通過(guò)兩個(gè)配置信號(hào)調(diào)節(jié)加入到電流比較器參考端的上拉電流。第2部分為電流鏡，檢測(cè)參考電流和輸入電流差Δi，并通過(guò)電流鏡的輸出電阻ro轉(zhuǎn)換成電壓Δv，即v=Δro·(Iref-Iin)。第3部分為電壓放大，由一個(gè)兩級(jí)放大器組成，由于不存在反饋，不需要頻率補(bǔ)償，Vout=Δv·Av=ro·(Iref-Iin)·Av。調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)?MOS 管尺寸，使ro和Av保持足夠大，就能夠正確讀取很小的輸入電流;同時(shí)應(yīng)該考慮比較器速度，使各節(jié)點(diǎn)的寄生電阻電容盡量小。比較器整體仿真閾值，最大閾值范圍 11 μA ～14 μA，其最小閾值范圍3 μA ～4 μA，能夠滿(mǎn)足應(yīng)用。

3 整體電路工作原理

整體電路示意圖如圖3所示，除去上述電流基準(zhǔn)及比較器外，還加入了清零信號(hào)及存儲(chǔ)單元。

圖3 整體電路原理

存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)單元的編程前特性與電容類(lèi)似，等效電阻大于 1 MΩ，即等效輸入電流小于1 μA。存儲(chǔ)單元的編程后特性與電阻類(lèi)似，存儲(chǔ)單元編程后的電阻范圍為50 kΩ～250 kΩ，即輸入電流大于 10 μA。

讀取功能 在本文中比較器的功能是如何區(qū)分上述的1 μA和10 μA，并且保證在溫度電源電壓變化的情況下能夠在規(guī)定時(shí)間正確讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。將比較器的閾值電流設(shè)定為5 μA左右(可調(diào))，因此比較器能夠?qū)⒋鎯?chǔ)數(shù)據(jù)正確讀取。

優(yōu)化速度 比較器輸入端的電壓約為400 mV，每次讀取時(shí)都需要對(duì)其充放電，因此充放電的速度就會(huì)影響整體讀取速度。讀0時(shí)，由于通過(guò)比較器輸入端放電比較慢，所有在輸入端加入一個(gè)清零脈沖，每次讀取都產(chǎn)生一個(gè)清零，這樣讀取0數(shù)據(jù)就非?？?讀1時(shí)，由于此時(shí)有存儲(chǔ)單元的電流，及比較器輸入端的偏置電流，兩路電流同時(shí)對(duì)比較器輸入端的位線(xiàn)負(fù)載進(jìn)行充電，因此讀1的時(shí)間也比較快。通過(guò)測(cè)試，在讀0和讀1情況下都能夠達(dá)到25 MHz。

4 單粒子效應(yīng)仿真

優(yōu)化抗輻照設(shè)計(jì)之前，采用100 MeV-cm2/mg單粒子能量進(jìn)行單粒子效應(yīng)仿真，遍歷比較器及參考電流源的各點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)得到如表1的仿真數(shù)據(jù)。

表1 單粒子效應(yīng)仿真各節(jié)恢復(fù)時(shí)間

優(yōu)化抗輻照設(shè)計(jì)之前，采用100 MeV-cm2/mg單粒子能量進(jìn)行單粒子效應(yīng)仿真，改變敏感器件的特征尺寸，統(tǒng)計(jì)得到如圖4的仿真數(shù)據(jù)。

圖4 單粒子對(duì)不同尺寸MOS管仿真恢復(fù)時(shí)間

通過(guò)第3部分的整體電路讀取分析，可知比較器正常工作時(shí)一直處于讀取狀態(tài)，因此單粒子效應(yīng)仿真只會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)翻轉(zhuǎn)。通過(guò)表1的仿真結(jié)果，可以得出整體電路中對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的節(jié)點(diǎn);通過(guò)圖4的仿真結(jié)果，可以將敏感節(jié)點(diǎn)相連的器件進(jìn)行尺寸調(diào)節(jié)，使單粒子效應(yīng)影響降到最低。由于本文中的比較器較敏感，且電路采用的工藝尺寸較小，而采用的單粒子仿真能量太高，因此這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)⑺矐B(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)間降為最小。

本節(jié)通過(guò)電路級(jí)單粒子效應(yīng)仿真，給出比較器的單粒子效應(yīng)，得出比較器相關(guān)結(jié)點(diǎn)受到單粒子作用時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)鎖存錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了PROM存儲(chǔ)器的高可靠性。

5 加固設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

電路級(jí)加固選擇三模冗余方法，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，并通過(guò)單粒子效應(yīng)仿真驗(yàn)證其已對(duì)單粒子效應(yīng)免疫。

系統(tǒng)級(jí)加固如圖6所示，采用EDAC校驗(yàn)碼，由32 bit數(shù)據(jù)data及7 bit校驗(yàn)碼code，能夠達(dá)到糾一檢二的目的。

圖5 三模冗余

圖6 EDAC校驗(yàn)碼

6 單粒子輻照試驗(yàn)

單粒子翻轉(zhuǎn)測(cè)試系統(tǒng)主要由FPGA芯片、PROM芯片及FLASH芯片組成，通過(guò)高速的FPGA作為主要控制器，芯片的工作頻率為25 MHz，測(cè)試流程如圖7所示，其流程為:

圖7 試驗(yàn)流程圖

(1)在實(shí)驗(yàn)前，分別在抗輻照PROM和FLASH中寫(xiě)入相同的數(shù)據(jù);

(2)在試驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)PGA分別讀取PROM和FLASH中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)相同則繼續(xù)讀取下一位地址，數(shù)據(jù)不同時(shí)，則記錄一次翻轉(zhuǎn)，并通過(guò)串口將錯(cuò)誤的地址及數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

(3)試驗(yàn)完成后，保存上位機(jī)數(shù)據(jù)，并通過(guò)軟件計(jì)算翻轉(zhuǎn)次數(shù)。

單粒子輻照試驗(yàn)采用90 MeV-cm2/mg的能量，單粒子輻照總注量達(dá)到107離子數(shù)/cm2，通過(guò)上述試驗(yàn)流程，未檢測(cè)到單粒子翻轉(zhuǎn)情況。

7 結(jié)論

本文以PROM存儲(chǔ)器為背景，介紹了比較器在系統(tǒng)中的作用，并提出所采用的比較器，詳細(xì)分析該比較器的優(yōu)勢(shì)及原理。通過(guò)電路設(shè)計(jì)及仿真，可以?xún)?yōu)化電路的抗輻照性能。最后通過(guò)三模冗余和系統(tǒng)加固的設(shè)計(jì)思路，對(duì)電路進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，并通過(guò)單粒子模擬試驗(yàn)證明加固的可靠性。

本文中采用的電路已經(jīng)通過(guò)流片，并封裝成測(cè)試樣片，經(jīng)過(guò)全部地址的測(cè)試，PROM存儲(chǔ)器工作頻率大于25 MHz。單粒子輻照試驗(yàn)已經(jīng)完成，滿(mǎn)足芯片的設(shè)計(jì)要求。

［1］Traff H.Novel Approach to High Speed CMOS Current Comparators［J］.Electronics Letters，1992，28(3):310-312.

［2］陳盧.一種新型的高性能CMOS電流比較器電路［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2001，22(3):362-365.

［3］［美］Phillip E Allen，Douglas R Holberg.CMOS模擬電路設(shè)計(jì)［M］.2版.馮軍，李智群，譯.電子工業(yè)出版社，2005.

［4］舒文麗，吳云峰，孫長(zhǎng)勝，等.基于NAND Flash的海量存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2012，35(1):107-110.

［5］［美］Jacob Baker Harry R，Li David W，Boyce E.CMOS電路設(shè)計(jì)、布局與仿真［M］.陳中建，譯.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］［美］畢查德.拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)［M］.陳貴燦，程軍，張瑞智，等譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，2003.

［7］［美］Paul R Gray，Paul J Hurst，Stephen H Lewis，et al.模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)［M］.張曉林，譯.高等教育出版社，2005.

［8］郭雅琳，程滔.靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器低泄漏設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.電子器件，2012，35(6):764-766.