[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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-EventEffect)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。

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。

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。

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。

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。

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 forBulk 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。