-- СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.382+ 621.396.6
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ДВУХФАЗНОЙ КМОП 28 нм КОМБИНАЦИОННОЙ ЛОГИКИ К ПЕРЕХОДНЫМ ЭФФЕКТАМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОДИНОЧНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
© 2015 г. Ю. В. Катунин1, 2, В. Я. Стенин1, 2
1НИИсистемных исследований Российской АН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail:yu.v.katunin@gmail.com; vystenin@mephi.ru Поступила в редакцию 18.12.2014 г.
Помехоустойчивость двухфазной 28 нм КМОП-комбинационной логики (на примере двухфазного инвертора) к воздействию одиночных ядерных частиц существенно выше, если конструктивная емкость между выходами двухфазного инвертора меньше порогового значения. В этом случае на следующий двухфазный элемент поступает ослабленная помеха, которая не изменяет его логического состояния, а переводит в "заблокированное" состояние на длительность помехи. Пороговое значение емкости больше у двухфазных КМОП-инверторов с симметричными переключательными характеристиками при переключении как из 1 в 0, так и из 0 в 1. Пороговая критическая характеристика позволяет проводить сравнение двухфазных КМОП-элементов, выполненных по разным проектным нормам и оценивать выигрыш двухфазной логики при воздействии одиночных частиц на один из дифференциальных узлов. Критические заряды двухфазных элементов существенно превышают (как минимум в 20 раз на примере инверторов) критические заряды традиционной КМОП-логики.
DOI: 10.7868/S0544126915040067
1. ВВЕДЕНИЕ
К двухфазной логике относятся КМОП-эле-менты [1—4] на основе двух каналов, взаимодействующих между собой так, что синфазные составляющие сигналов на входах воспринимаются как информационные, а дифференциальные — как помехи и их распространение при определенных условиях блокируется. Воздействия одиночных ядерных частиц приводят к возникновению импульсов помех [5], которые вызывают временные изменения их логического состояния (single event transients — SET). Разнесение транзисторов двух фаз обязательно, что позволяет снизить влияние эффекта разделения заряда (charge sharing).
При проектных нормах менее 100 нм существенным становится одновременное воздействие частицы на смежные транзисторы КМОП-логических элементов [6, 7]. При норме менее 40 нм заметно снижаются критические значения зарядов, что приводит к повышению частоты одиночных сбоев (soft error rate — SER) как КМОП-комбинационных логических элементов обычной и двухфазной логики, так и триггеров [8, 9]. Актуальным является разработка новых топологических вариантов КМОП-логических элементов. На тактовых частотах более 1 ГГц частота одиночных сбоев обычной КМОП-комбинационной логики достигает тех же значений, которые характеризу-
ют триггерные элементы [10], поэтому актуальна разработка КМОП-логических элементов с повышенной помехоустойчивостью к воздействию одиночных ядерных частиц.
2. ОСОБЕННОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИМПУЛЬСА ПОМЕХИ В ЦЕПОЧКЕ ДВУХФАЗНЫХ ИНВЕРТОРОВ
На рис. 1 изображен фрагмент схемы цепочки двухфазных (2ф) КМОП-логических элементов, включающей 2ф-инверторы, состоящие из симметричных фазовых частей — конверторов К1 и К2, и другие 2ф-логические элементы, которые могут быть как 2ф-элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ, а также 2ф-триггеры. Важно то, что присутствует двухфазная передача сигнала элементами с перекрестными связями входов двух конверторов К1 и К2, образующих 2ф-элемент [2]. Воздействие отдельной ядерной частицы на конвертор К2 двухфазного КМОП-инвертора обусловлено инжек-цией импульса фототока /Ф(0. Импульс тока /Ф(0 образуется за счет выноса заряда, возникающего при сборе индуцированного заряда неравновесных неосновных носителей обратно смещенным рп--переходом транзистора, предшествующего 2ф-эле-мента (в частном случае 2ф-инвертора). Емкостные связи шин [3, 4], соединяющих выводы конверторов К1 и К2, отражены емкостями СВЫХ. диф.
тт СВЫХ1.1Т 77 СВЫХ2.ГГ
иИ П иИ П
Первый Второй
2ф-инвертор 2ф-инвертор
Рис. 1. Каскадное включение (цепочка) двухфазных КМОП-логических элементов.
Импульс тока /Ф(0 сопровождается появлением импульса напряжения помехи UnGM(i) на входе 2 первого 2ф-инвертора (в обозначениях, использованных на рис. 1); амплитуда импульса помехи ограничена [5] диапазоном напряжения питания тИ.П.
При формировании фронта импульса тока часть его идет на перезаряд емкости узла, выводящего фо-тоток из объема полупроводника, а часть протекает через открытый МОП-транзистор конвертора этого элемента на шину источника питания или общую шину элемента. На момент перезарядки емкости до напряжения питания ТИ П напряжение на pn переходе сток-подложка закрытого транзистора снижается до нуля и при воздействии частиц с достаточными линейными потерями энергии вывод заряда сопровождается ограничением импульса фототока (эффект "плато") [11] на уровне тока стока насыщения открытого МОП-транзистора в конверторе /Ф(? > ?ОГР) = /СНАС, где ?ОГР — момент времени ограничения тока стока.
При достаточной амплитуде импульса помехи иПОМ(0 переключается конвертор К1 первого 2ф-инвертора (см. рис. 1). Дальнейшее распространение помехи в цепочке инверторов может произойти только, если есть существенное влияние емкостной связи между выходами 1 и 2 первого 2ф-инвертора (см. рис. 1) и выходами следующих инверторов.
Моделирование проводилось в САПР Cadence Spectre Circuit Simulator при температуре +25°C. Зависимости приведены для инверторов с проектной нормой КМОП 28 нм (модели TSMC 28 нм по объемной технологии) при длине канала транзи-
сторов 30 нм с минимальной шириной канала ^МОП-транзисторов — 100 нм и РМОП транзисторов — 120 нм.
3. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОМЕХИ ПО ЦЕПОЧКЕ ДВУХФАЗНЫХ ИНВЕРТОРОВ
КМОП-двухфазный инвертор является дифференциальным логическим элементом, состоящим из двух одинаковых конверторов К1 и К2 (см. рис. 1). Переключательные характеристики двухфазного инвертора включает два семейства зависимостей напряжений на двух выходах инвертора (конверторов К1 и К2) как функции напряжений на его двух входах иВЫХ1(иВХ1, ЦВХ2) и иВых2(иВХ1, иВХ2). При синфазном управлении по обоим входам статические переключательные характеристики имеют тот же вид, что и у обычного КМОП -инвертора Цвых1,2(Цвх1 — Цвх2). При появлении разностного сигнала между входами, например, импульса помехи на входе 2 иВХ2 — иПОМ(0, между выходами образуется разность напряжений Л иВЫХ — иВЫХ1 — иВЫХ2 и изменяется сумма выходных напряжений Цвых.сумм — Цат + Цвых2, анализ зависимостей которых дает оценку эффективности блокировки распространения помехи.
Наличие емкостной связи между выходами двухфазного инвертора приводит к изменению напряжения на выходе конвертора К2 (выход 2 инвертора) при воздействии помехи на вход 2. На выходе 1 первого 2ф-инвертора (см. схему на рис. 1) под действием импульса помехи ЦПОМ(0 формируется импульс с амплитудой ЛиВЫХ1, который
ииП = 0.9 В
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
СВЫХ.ДИФ.ПОР/ СВЫХ
Рис. 2. Пороговое приращение напряжения на выходе 1 предыдущего 2ф-инвертора л&ВЫХ1 пор, приводящее к переключению следующего 2ф-инвертора, в зависимости от соотношения емкостей Свых диф пор/Свых.
воздействует через делитель напряжения из емкостей СВЫХДИФ1 и СВЫХ12 на выход 2, что приводит к образованию на выходе 2 импульса с амплитудой ивЫХ2 = А ивЫХ1СВЫХ.ДИФ/(СВЫХ.ДИФ + СВЫХ2) и
полярностью, которая зависит от исходного логического состояния инвертора.
С учетом исходного логического состояния 2-ф инвертора значения напряжений иВЫХ1 и иВЫХ2 на выходах 1 и 2 при воздействии помехи будут следующими:
Цвых1 = ЦВЫХ1(0) + (-1)^
ВЫХ1
^ВЫХ2 ( ^ВЫХЬ СВЫХ.ДИФ ) - ивЫХ2 ( 0 ) + в
+ (-1) А ивЫХ1СВЫХ.ДИФ/(СВЫХ.ДИФ + СВЫХ2 ),
(1а)
(1б)
ния питания К
= Цзх1 + ЦЗХ2 = ЦИ.П [12]. В
двухфазного инвертора можно оценить, зная напряжения на выходах предыдущего инвертора (1) Цвых.сумм = Цвых1 + ^ВЫХ2. Амплитудное значение импульса напряжения на выходе 1 при определенной его величине выполняет функцию порогового приращения напряжения Аивых1ПОР, которое через емкость СВЫХдИФ обеспечивает дополняющее смещение второго выхода А иВЫХ2 до суммарной величины напряжений на обоих выходах, равной напряжению питания иВЫХ2 + иВЫХ1 = ииП. Пороговое значение приращения АиВЫХ1ПОР в этом случае можно оценить по выражению
АивЫХ1.ПОР = ии.п(1 + ^с.диф.пор) 1, (2)
где ^с.диф.пор = свых.диф.пор/(Свых.диф.пор + + СВЫХ) — коэффициент отношения значений пороговой емкости дифференциальной связи выходов Свых.диф пор и емкости данного выходного узла инвертора СВЫХ. Переключение логического состояния 2ф-инвертора происходит, когда приращение напряжения на первом выходе (Выход 1) превышает пороговое значение АиВЫХ1 > > АиВЫХ1ПОР. На рис. 2 приведен график зависимости порогового приращения напряжения на выходе 1 инвертора АиВЫХ1ПОР от соотношения значений пороговой емкости между выходами 2ф-инвертора Свых.дифпор и емкости выходного
узла свых.
Из зависимости (2) следует выражение, по которому можно оценить пороговое значение емкости Свых.диф пор, зная значение приращения напряжения Аивых1 на выходе 1 инвертора при воздействии помехи на его вход:
С
ВЫХ.ДИФ.ПОР/ '-'ВЫХ
/ Св
где Цвых2(0) = ^вых1(0) = ^и.п — начальные значения напряжений, соответствующие исходному логическому уровню на выходах 1 и 2 до действия помехи; СВЫХ2 — емкость узла выхода 2 инвертора; В = 0 или 1 — исходное (начальное) логическое состояние инвертора. В формуле (1) и далее индексы принадлежности емкостей к конкретному номеру инвертора опущены, отмечаются только номера выходов инвертора.
4. БЛОКИРОВКА
распространения помехи
А. Пороговое приращение напряжения на выходе 1 двухфазного инвертора, приводящее к переключению следующего инвертора
Двухфазный инвертор меняет свое логическое состояние, когда сумма напряжений на его входах преодолевает порог, равный значению напряже-
— ( ии.П - АивЫХ1.ПОР)/(2АивЫХ1.ПОР - ии.п),
(3)
где Аивых1ПОР — пороговое приращение напряжения на выходе 1 2ф-инвертора, которому соответствует данное пороговое значение емкости
СВЫХ.ДИФ.ПОР. При СВЫХ.ДИФ < СВЫХ.ДИФ.ПОР переключения (сбоя) состояния следующего в цепочке инвертора не происходит.
Б. Связь значений емкости между выходами д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.