差分输入单端输出放大器及抗单粒子瞬态效应的加固方法

1.本发明主要涉及到电子系统抗辐射技术领域，特指一种差分输入单端输出放大器及抗单粒子瞬态效应的加固方法。


背景技术：

2.应用于航天、航空的电子系统很容易受到辐射效应的影响，从而导致系统失效。辐射环境下工作的电子系统，主要考虑的辐射效应有单粒子效应(see，single-event effect)和总剂量效应(tid，total ionizing dose)两种。随着工艺的不断缩减，总剂量效应对芯片的影响在逐渐减小，相反单粒子效应对航天设备中电子器件的影响却日益加剧。相比于数字电路而言，模拟电路对辐射效应更加敏感，且抗单粒子效应加固设计更加困难。因此，高性能模拟电路已成为辐射效应研究的重点和难点。
3.set效应(抗单粒子瞬态效应，singleevent transient：set)通常是由银河宇宙射线、太阳粒子事件、超铀材料自然衰变或者是核武器爆炸所产生的高能粒子轰击电路所导致电路功能突变的现象。半导体器件在受到单粒子轰击后，高能粒子的能量沉积会导致粒子的碰撞电离，在浓度梯度和电场的作用下电离出的电荷被收集和输运，导致电路被轰击结点出现电流和电压瞬时突变。
4.放大器电路是电子系统设计中最重要的组成部分之一，各种模拟和混合信号系统都需要使用放大器电路。放大器是构成模拟电路系统最基本的模块，其输出为非“0”和“1”的中间态电平，单粒子轰击会对电路输出信号有重大影响。了解放大器电路在辐照环境下的行为并研究其抗单粒子瞬态效应对于工作在极端环境下的电子系统具有重要价值。
5.模拟信号通常采用差分方式进行传输。差分信号相比于单端信号的优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力，因此它可以抑制电源和地上的噪声。在信号最后的输出级，通常需要一个差分转单端放大器将差分信号还原成单端信号。如图1所示为现有技术中差分输入单端输出放大器，其包括两个差分输入端vin1、vin2，一个单端输出端vout和一个偏置输入端vb。输入信号从两个nmos差分对管m3和m4的栅极输入，两个pmos管m1和m2作为有源负载，m2的漏极作为输出端vout，nmos管m5的栅极连输入端vb为电路整体提供偏置电流以确定其工作状态。差分输入单端输出放大器的晶体管尺寸通常呈对称状态，m1和m2晶体管的宽度和长度均相同，m3和m4晶体管的宽度和长度均相同。
6.目前，现有技术中对于放大器电路抑制单粒子瞬态的加固方法主要集中在差分对管上。
7.有从业者r.w.blaine等人2012年在ieee transactions on nuclear science上发表的“differential charge cancellation(dcc)layout as an rhbd technique for bulk cmos differential circuit design”文章中提出了交叉匹配的共中心技术(differential common-centroid：dcc)对电路中的差分对管进行加固，其版图结构如图2所示。dcc技术将差分对管拆成两个长度相同宽度减半的晶体管并放置在斜交叉位置，并使晶体管的漏极尽量靠近。该技术的核心思想是利用差分电路对共模信号的抑制能力，在版
图结构上差分对管尽量靠近以加强电荷共享效应。如果其中一只晶体管被单粒子轰击，电荷共享效应将单粒子沉积的电荷共享到相邻单元，从而实现粒子由单点注入转变为多点共享。使得脉冲电流由单端输入转变为双端共模输入，再利用电路对共模信号的抑制实现消除set对电路的整体影响。
8.目前已有的研究工作已经实现了对差分输入对管m3和m4的有效加固，但尚未有相关研究关注于有源负载管m1和m2的单粒子加固。如果m1晶体管受到单粒子轰击，m1和m2晶体管的栅极电势抬升，vout输出电压降低；如果m2晶体管受到单粒子轰击，其漏极直接连接输出，将会导致vout输出电势升高。因此无论是m1晶体管还是m2晶体管受到单粒子轰击都会对电路输出造成扰动。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、加固效果好的差分输入单端输出放大器及抗单粒子瞬态效应的加固方法。
10.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
11.一种差分输入单端输出放大器，包括两个差分输入端vin1、vin2，一个单端输出端vout、一个偏置输入端vb、晶体管m5、有源负载管m1和m2、以及两个差分对管m3和m4；
12.所述有源负载管m1包括第一晶体管ma1和第二晶体管ma2，所述有源负载管m2包括第三晶体管mb1和第四晶体管mb2；
13.所述第一晶体管ma1与第二晶体管ma2以并联方式连接，所述第三晶体管mb1与第四晶体管mb2以并联方式连接。
14.作为本发明放大器的进一步改进：所述有源负载管m1中的第一晶体管ma1和第二晶体管ma2、以及有源负载管m2中的第三晶体管mb1和第四晶体管mb2均以交叉方式摆放。
15.作为本发明放大器的进一步改进：所述第一晶体管ma1和第二晶体管ma2以及第三晶体管mb1和第四晶体管mb2相邻之间间距为满足工艺规则的最小间距。
16.作为本发明放大器的进一步改进：所述第一晶体管ma1与第二晶体管ma2的长度和宽度相同，均与有源负载管m1长度相同，宽度为有源负载管m1的一半；所述第三晶体管mb1和第四晶体管mb2的长度和宽度相同，均与有源负载管m2长度相同，宽度为有源负载管m2的一半。
17.作为本发明放大器的进一步改进：所述第一晶体管ma1、第二晶体管ma2、第三晶体管mb1和第四晶体管mb2的长度和宽度均相同。
18.本发明进一步提供一种抗单粒子瞬态效应的加固方法，用于差分输入单端输出放大器，即将作为有源负载的m1和m2晶体管拆分成两组晶体管ma1、ma2和mb1、mb2；分别将晶体管ma1、ma2以并联方式连接，将晶体管mb1、mb2以并联方式连接。
19.作为本发明加固方法的进一步改进：将作为有源负载的m1和m2晶体管拆分成两组长度不变、宽度减半的晶体管ma1、ma2和mb1、mb2。
20.作为本发明加固方法的进一步改进：所述有源负载管m1中的第一晶体管ma1和第二晶体管ma2、以及有源负载管m2中的第三晶体管mb1和第四晶体管mb2均以交叉方式摆放。
21.作为本发明加固方法的进一步改进：相邻晶体管之间间距为满足工艺规则的最小
间距。
22.作为本发明加固方法的进一步改进：
23.单粒子轰击到m1晶体管时，m1晶体管的衬底和漏极之间的pn结导通，在电势差的作用下正电荷从n阱传播到漏极，导致漏极电压抬升；有源负载管m1的连接方式为漏极与栅极相连，并且连接到m2的栅极，m2的栅极电压相应抬升，导致vout输出电压下降；
24.单粒子轰击到m2晶体管时，m2晶体管的衬底和漏极之间的pn结导通，在电势差的作用下正电荷从n阱传播到漏极，导致vout输出电压抬升；
25.单粒子轰击m1晶体管和单粒子轰击m2晶体管在vout输出端所表现出来的电势变化极性相反。
26.采用所述的抗单粒子瞬态效应的加固方法有利于加强m1晶体管和m2晶体管之间的电荷共享效应，从而使单粒子轰击引发的扰动一定程度上抵消。
27.与现有技术相比，本发明的优点就在于：
28.本发明的差分输入单端输出放大器及抗单粒子瞬态效应的加固方法，原理简单、易实现、加固效果好，可以用来实现对有源负载晶体管的单粒子瞬态加固。本发明增强了有源负载晶体管之间的电荷共享，当单粒子轰击到其中一个有源负载晶体管后部分电荷共享到相邻晶体管，而被轰击晶体管和相邻晶体管在输出端造成的扰动极性相反，从而实现在输出端单粒子瞬态作用的抵消，以达到单粒子瞬态加固效果。该技术可以有效降低单粒子轰击有源负载管对电路产生的扰动。
附图说明
29.图1是现有技术中差分输入单端输出放大器电路图。
30.图2是本发明采用dcc版图技术应用于差分输入单端输出放大器电路的有源负载晶体管示意图。
31.图3是利用图2在tcad仿真软件中建模并模拟单粒子轰击到m1晶体管的漏极得到的输出电压vout信号跳变在加固与未加固电路中的结果。
32.图4是利用图2在tcad仿真软件中建模并模拟单粒子轰击到m2晶体管的漏极得到的输出电压vout信号跳变在加固与未加固电路中的结果。
具体实施方式
33.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
34.本发明提出有源负载管m1和m2采用dcc版图布局方式进行单粒子瞬态加固。如图2所示，本发明的差分输入单端输出放大器，包括两个差分输入端vin1、vin2，一个单端输出端vout、一个偏置输入端vb、晶体管m5、有源负载管m1和m2、以及两个差分对管m3和m4；本发明的创新之处在于：
35.所述有源负载管m1包括第一晶体管ma1和第二晶体管ma2，所述有源负载管m2包括第三晶体管mb1和第四晶体管mb2；
36.所述第一晶体管ma1与第二晶体管ma2以并联方式连接，所述第三晶体管mb1与第四晶体管mb2以并联方式连接。
37.进一步，在较佳的实施例中，有源负载管m1中的第一晶体管ma1和第二晶体管ma2、
以及有源负载管m2中的第三晶体管mb1和第四晶体管mb2均以交叉方式摆放。
38.进一步，在较佳的实施例中，相邻晶体管之间间距为满足工艺规则的最小间距。
39.进一步，在较佳的实施例中，第一晶体管ma1与第二晶体管ma2的长度和宽度相同；第三晶体管mb1和第四晶体管mb2的长度和宽度相同。也就是将传统差分输入单端输出放大器(参见图1)中的有源负载晶体管m1和m2分别拆分成两个长度不变、宽度减半的两个晶体管。
40.本发明中的其他部件跟传统差分输入单端输出放大器基本一致，即：输入信号从两个nmos差分对管m3和m4的栅极输入，第一晶体管ma1、第二晶体管ma2、第三晶体管mb1及第四晶体管mb2作为有源负载，第三晶体管mb1及第四晶体管mb2的漏极作为输出端vout，nmos管m5的栅极连输入端vb为电路整体提供偏置电流以确定其工作状态。差分输入单端输出放大器的晶体管尺寸通常呈对称状态，m1和m2晶体管的宽度和长度均相同，第一晶体管ma1、第二晶体管ma2、第三晶体管mb1及第四晶体管mb2的宽度和长度均相同。
41.本发明采用这样的版图布局和电路连接方式不会改变电路整体参数。ma和mb晶体管以交叉方式摆放，相邻晶体管之间间距为满足工艺规则的最小间距，这样可以实现ma和mb晶体管之间最大效率的电荷共享。
42.本发明进一步提供一种对差分输入单端输出放大器的抗单粒子瞬态效应的加固方法，将作为有源负载的m1和m2晶体管拆分成两组长度不变、宽度减半的晶体管ma1、ma2和mb1、mb2；分别将ma1、ma2以并联方式连接，mb1、mb2以并联方式连接。这样的版图布局和电路连接方式不会改变电路整体参数。ma和mb晶体管以交叉方式摆放，相邻之间间距为满足工艺规则的最小间距，这样可以实现最大效率的电荷共享。
43.单粒子轰击到m1晶体管时，m1晶体管的衬底(对于pmos管即为n阱，其电压为电源电压)和漏极之间的pn结导通，在电势差的作用下正电荷从n阱传播到漏极，导致漏极电压抬升。有源负载管m1的连接方式为漏极与栅极相连，并且连接到m2的栅极，因此m2的栅极电压相应抬升，从而导致vout输出电压下降。
44.单粒子轰击到m2晶体管时，m2晶体管的衬底(n阱)和漏极之间的pn结导通，在电势差的作用下正电荷从n阱传播到漏极，导致vout输出电压抬升。单粒子轰击m1晶体管和单粒子轰击m2晶体管在vout输出端所表现出来的电势变化极性相反。
45.因此，本发明将作为有源负载的m1和m2晶体管拆分成两组长度不变、宽度减半的晶体管ma1、ma2和mb1、mb2；分别将ma1、ma2以并联方式连接，mb1、mb2以并联方式连接。即，本发明提出有源负载管m1和m2采用dcc版图布局方式进行单粒子瞬态加固。本发明采用上述这种方式，就是通过加强电荷共享的方式对差分输入单端输出放大器进行加固。
46.本发明抗单粒子瞬态的工作过程为：
47.假设单粒子轰击到m1和m2其中一个晶体管，在电荷共享的作用下另一个晶体管也会相应受到单粒子的影响。如果单粒子轰击到m1晶体管，其在输出端造成的扰动是使得vout电压降低。由于dcc版图摆放促进了m1和m2之间的电荷共享，单粒子轰击m1晶体管后将有部分电荷共享到m2晶体管，导致部分电荷被m2晶体管吸收。其作用会导致vout电压抬升。单粒子轰击m1晶体管使得vout电压降低，共享到m2晶体管使得vout电压抬升，宏观上从输出端vout可以观测到单粒子轰击产生的扰动减小，单粒子效应得到抑制。同样的，如果单粒子轰击到m2晶体管，其在输出端造成的扰动是使得vout电压抬升。由于dcc版图摆放促进了
m1和m2之间的电荷共享，单粒子轰击m2晶体管后将有部分电荷共享到m1晶体管，导致部分电荷被m1晶体管吸收。其作用会导致vout电压降低。单粒子轰击m2晶体管使得vout电压抬升，共享到m1晶体管使得vout电压降低，宏观上从输出端vout可以观测到单粒子轰击产生的扰动减小，单粒子效应得到抑制。
48.有源负载管m1和m2采用dcc版图布局可以最大程度上实现m1和m2晶体管的电荷共享，因此无论是单粒子轰击到m1还是m2晶体管其在输出端造成的扰动都会在相邻晶体管的电荷共享作用下抵消一部分，从而可以实现单粒子瞬态有效抑制。
49.图3为利用图2在tcad仿真软件中建模并模拟单粒子轰击到m1晶体管的漏极得到的输出电压vout信号跳变在加固与未加固电路中的结果。图中i线为未加固，图中ii线为加固。
50.该模拟采用图2所示的版图和图1所示的电路示意图。在tcad软件中对本发明的差分输入单端输出放大器电路布局并模拟let＝10mev
·
cm2/mg的单粒子在t＝0时刻轰击到m1晶体管的漏极中心。对于加固和未加固电路，在未受到单粒子轰击时vout输出信号保持为0.43v直流电平，如果一旦有单粒子轰击到m1晶体管，m1的漏极和n阱区的pn结将会坍塌，漏极电压短暂抬高，从而使得输出电压vout降低。以vout正常直流电平的0.1v范围(vout电压未受到轰击时为0.43v)作为阈值电压(即0.33v和0.53v)，tcad仿真结果表明vout在m1受到let＝10mev
·
cm2/mg的单粒子影响产生的脉冲宽度在加固电路和未加固电路分别为0.327ns和0.779ns。对比加固和未加固电路，利用本发明可以使得差分输入单端输出放大器电路的vout信号在m1被单粒子轰击时的set脉冲宽度减小到42％。
51.图4为利用图2在tcad仿真软件中建模并模拟单粒子轰击到m2晶体管的漏极得到的输出电压vout信号跳变在加固与未加固电路中的结果。图中i线为未加固，图中ii线为加固。
52.该模拟采用图2所示的版图和图1所示的电路示意图。在tcad软件中对本发明的差分输入单端输出放大器电路布局并模拟let＝10mev
·
cm2/mg的单粒子在t＝0时刻轰击到m2晶体管的漏极中心。对于加固和未加固电路，在未受到单粒子轰击时vout输出信号保持为0.43v直流电平，如果一旦有单粒子轰击到m2晶体管，m2的漏极和n阱区的pn结将会坍塌，漏极电压短暂抬高，从而使得输出电压vout抬高。以vout正常直流电平的0.1v范围(vout电压未受到轰击时为0.43v)作为阈值电压(即0.33v和0.53v)，tcad仿真结果表明vout在m2受到let＝10mev
·
cm2/mg的单粒子影响产生的脉冲宽度在加固电路和未加固电路分别为0.881ns和1.148ns。对比加固和未加固电路，利用本发明可以使得差分输入单端输出放大器电路的vout信号在m2被单粒子轰击时的set脉冲宽度减小到76.7％。
53.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种差分输入单端输出放大器，包括两个差分输入端vin1、vin2，一个单端输出端vout、一个偏置输入端vb、晶体管m5、有源负载管m1和m2、以及两个差分对管m3和m4；其特征在于：所述有源负载管m1包括第一晶体管ma1和第二晶体管ma2，所述有源负载管m2包括第三晶体管mb1和第四晶体管mb2；所述第一晶体管ma1与第二晶体管ma2以并联方式连接，所述第三晶体管mb1与第四晶体管mb2以并联方式连接。2.根据权利要求1所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述有源负载管m1中的第一晶体管ma1和第二晶体管ma2、以及有源负载管m2中的第三晶体管mb1和第四晶体管mb2均以交叉方式摆放。3.根据权利要求1所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述第一晶体管ma1和第二晶体管ma2以及第三晶体管mb1和第四晶体管mb2相邻之间间距为满足工艺规则的最小间距。4.根据权利要求1所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述第一晶体管ma1与第二晶体管ma2的长度和宽度相同，均与有源负载管m1长度相同，宽度为有源负载管m1的一半；所述第三晶体管mb1和第四晶体管mb2的长度和宽度相同，均与有源负载管m2长度相同，宽度为有源负载管m2的一半。5.根据权利要求4所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述有源负载管m1和有源负载管m2长度和宽度均相同；所述第一晶体管ma1、第二晶体管ma2、第三晶体管mb1和第四晶体管mb2的长度和宽度均相同。6.一种抗单粒子瞬态效应的加固方法，用于差分输入单端输出放大器，其特征在于，将作为有源负载的m1和m2晶体管拆分成两组晶体管ma1、ma2和mb1、mb2；分别将晶体管ma1、ma2以并联方式连接，将晶体管mb1、mb2以并联方式连接。7.根据权利要求6所述的抗单粒子瞬态效应的加固方法，其特征在于，将作为有源负载的m1和m2晶体管拆分成两组长度不变、宽度减半的晶体管ma1、ma2和mb1、mb2。8.根据权利要求6所述的抗单粒子瞬态效应的加固方法，其特征在于，所述有源负载管m1中的第一晶体管ma1和第二晶体管ma2、以及有源负载管m2中的第三晶体管mb1和第四晶体管mb2均以交叉方式摆放。9.根据权利要求6所述的抗单粒子瞬态效应的加固方法，其特征在于，相邻晶体管之间间距为满足工艺规则的最小间距。10.根据权利要求6-9中任意一项所述的抗单粒子瞬态效应的加固方法，其特征在于，单粒子轰击到m1晶体管时，m1晶体管的衬底和漏极之间的pn结导通，在电势差的作用下正电荷从n阱传播到漏极，导致漏极电压抬升；有源负载管m1的连接方式为漏极与栅极相连，并且连接到m2的栅极，m2的栅极电压相应抬升，导致vout输出电压下降；单粒子轰击到m2晶体管时，m2晶体管的衬底和漏极之间的pn结导通，在电势差的作用下正电荷从n阱传播到漏极，导致vout输出电压抬升；单粒子轰击m1晶体管和单粒子轰击m2晶体管在vout输出端所表现出来的电势变化极性相反。

技术总结
本发明公开了一种差分输入单端输出放大器及抗单粒子瞬态效应的加固方法，该差分输入单端输出放大器包括两个差分输入端Vin1、Vin2，一个单端输出端Vout、一个偏置输入端Vb、晶体管M5、有源负载管M1和M2、以及两个差分对管M3和M4；所述有源负载管M1包括第一晶体管MA1和第二晶体管MA2，所述有源负载管M2包括第三晶体管MB1和第四晶体管MB2；所述第一晶体管MA1与第二晶体管MA2以并联方式连接，所述第三晶体管MB1与第四晶体管MB2以并联方式连接。该加固方法可以应用于上述放大器。本发明具有原理简单、易实现、加固效果好等优点。易实现、加固效果好等优点。易实现、加固效果好等优点。


技术研发人员：郭阳 刘婧恬 梁斌 陈建军 池雅庆
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/8