научная статья по теме СИНТЕЗ СХЕМ КМОП-ЭЛЕМЕНТОВ С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОДНОКРАТНЫХ СБОЕВ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «СИНТЕЗ СХЕМ КМОП-ЭЛЕМЕНТОВ С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОДНОКРАТНЫХ СБОЕВ»

Кармазинский А.Н., доктор технических наук, профессор Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

СИНТЕЗ СХЕМ КМОП-ЭЛЕМЕНТОВ С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

ОДНОКРАТНЫХ СБОЕВ

Предложена логическая модель выявления однократных сбоев от воздействия космических частиц при синтезе принципиальных схем на КМОП-транзисторах. Обоснован принцип предотвращения однократных сбоев при синтезе.

Ключевые слова: синтез, логическая модель, однократные сбои, КМОП-транзисторы.

SYNTHESIS OF CMOS ELEMENTS TAKING POSSIBILITY OF SINGLE EVENT UPSET

Logic model is offer for prevention of cosmic particle. The model is applied for synthesis of logic circuits at CMOS transistors. The synthesis principle is proved of prevention single event upset.

Keywords: synthesis, logic model, single event upset, CMOS transistors.

При воздействии высокоэнергетичных частиц происходят локальные сбои цифровых элементов, входящих с состав СБИС. К локальным сбоям относятся:

- однократные сбои за счет собирания заряда по всей длине трека частицы; заряда или разряда емкостей в критических точках схемы; изменения величины рабочих токов в транзисторах при переключении, изменения токов или пороговых напряжений транзисторов, подверженных воздействию частиц;

- однократные защелкивания P-N-P-N структур, приводящие к росту тока потребления;

- множественные сбои, наблюдаемые в запоминающих устройствах (ЗУ);

- отказы периферийных схем, в частности схем высоковольтного напряжения во FLASH ЗУ / 1-3 /.

С уменьшением топологических проектных норм вероятность сбоев под воздействием ионизирующих частиц возрастает. Следует различать сбои в схемах в стационарном состоянии и в динамических режимах работы. Рост частоты работы микросхем способствует увеличению вероятности сбоев в них.

Наиболее чувствительными к воздействию ионизирующих частиц оказываются схемы, в которых в той или иной мере используются конденсаторы для накопления заряда и создания источников внутреннего питания с повышенным напряжением; усилители записи-считывания информации, использующие регенеративные процессы для усиления сигналов,

тт0

амплитуды выходных сигналов которых значительно меньше логических уровней нуля U и единицы U1; схемы предварительной установки промежуточных уровней напряжения в различных точках схемы и др.

В данной работе рассмотрены причины нарушения выполняемых статическими логическими КМОП-элементами их логических функций, логическая модель отказа, введено новое понятие - «4-ое состояние» в схемах, и рассмотрен метод учета этого состояния при синтезе принципиальных схем.

Логическая модель отказа.

Рассмотрим простейший логический элемент - инвертор на КМОП-транзисторах рис.1. Будем считать, что инвертер находится в цепи обработки информации комбинационного типа. Следовательно, от его правильной работы зависит работа всех последующих элементов. На выходе формируется лог.1, если Х1=0 и лог.0, если Х1=1. При воздействии одиночных ионизирующих частиц их влияние может сказаться на закрытом или открытом транзисторе.

Если открыт транзистор VT1 и трек частицы проходит через канал или затвор частицы, то это может привести к увеличению или уменьшению тока стока. Так как частица одна, то

изменение тока можно считать незначительным, а изменение заряда в канале не скажется на величине выходного напряжения, и оно будет соответствовать лог.1.

Х2 XI VII \П2 ОиИ Сост

0 0 0 1 0 3 0 0 1 ш 1 4-ое

1 0 1 1 3 3 3 0 ж 0 3-е 0

Если трек частицы проходит через затвор или канал транзистора УТ2, который закрыт, то возможно протекание тока через канал этого транзистора. В этом случае выходное напряжение может измениться, и величина этого изменения будет тем больше, чем меньше гео-

гр трек

метрические размеры транзистора. То есть, с уменьшением проектных норм и уменьшением длины канала транзистора влияние тока на величину логического уровня становится значительным и появляется новое состояние в элементе, которое обозначим символом ю. Этому соответствует напряжение и вых, приводящее к сбою в работе всех последующих элементов в схеме. Раз в инверторе оба транзистора оказались открытыми, то и < и вых < и1. С точки зрения логики работы инвертора это можно отобразить новым логическим входным сигналом, поданным на транзистор УТ2 рис.2, а.

Обозначим этот сигнал Х2. Тогда сигнал Х1 будет действовать на затворе транзистора УТ1. «Расщепление» входного сигнала на два сигнала позволяет моделировать логику работы инвертора при воздействии частиц. Именно такая структура схемы и является моделью при воздействии одиночных частиц. Теперь таблица истинности инвертора становится другой, как показано на рис.2,б. Функция, выполняемая схемой представлена на карте Карно рис.2, в. Расширенная логическая формула (РЛФ) / 4 / для схемы имеет вид:

К,

) + хТ

ОЬМ хг+[1

1 + 1 •XI

*ЗКа *2 + 1

■ «1'х3 +1

(1)

«1*2

где К! ОО-КоОО-К^ТО, К<ДУ) - конституенты функции У/4/.

Для предотвращения возникновения 4-го состояния при работе схемы его надо исключить из РЛФ К!Ц(У), К^ (У), а также обеспечить выполнение условия К^(У) ■ Кд(V) = О на всех наборах аргументов. В этом случае РЛФ принимает вид:

(2)

Схемы, построенные / 4 / на основании ( 2 ), представлены на рис.3а,б. Они выполняют одинаковые функции, но отличаются схемами подачи входных сигналов. Для топологической реализации в условиях воздействия одиночных частиц предпочтительнее схема рис.3,а. Входные сигналы могут меняться местами при разных реализациях.

Таким образом, для предотвращения сбоев в схемах под воздействие космических одиночных частиц необходимо использовать статические двухфазные схемы, имеющие два логических входа, один из которых предназначен для моделирования возможного 4-го состояния в схеме, а также может быть использован для предотвращения его возникновения. Для этого при синтезе необходимо исключить из РЛФ члены, описывающие состояния, отличные от логических 0 и 1.

х2(х0 УТЗ Х2(:

Выводы

Новым в данной статье является: Х1()с) \/Т4 Хт(

- введение нового понятия 4-го состояния, приводящего к сбою в цепи обработки информации, состоящей из каскадносоединенных логических схем;

- обоснование введения второго дополнительного сигнала для предотвращения сбоев в логических схемах.

Рис. 3, а

ЛИТЕРАТУРА

1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.

2. Краснюк А.А. Проблемы обеспечения сбоеустойчивости суб - 100 нм СБИС ОЗУ. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб.научн. трудов. - М.: НИЯУ «МИФИ», 2010. -с. 8-16.

3. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Анализ сбоеустойчивости КМОП логических элементов с двухфазной структурой. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб.научн. трудов. - М.: НИЯУ «МИФИ», 2010. - с. 17-28.

4. Кармазинский А.Н. Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП -транзисторах. - М.: Радио и связь,1983. - 256 с.

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.

Показать целиком