基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器的製造方法
2023-04-29 21:08:21 1
基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及抗輻射集成電路設計領域。為提供一種能夠抵抗多節點翻轉的結構簡單的鎖存器，本實用新型採用的技術方案是，基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器，由6個傳輸門TG1～6，3個反相器INV1～3，3個二輸入保護門DIG1～3和一個三輸入保護門構成，有三路相同的輸入信號分別對應輸入到輸入端D1、D2、D3，二輸入保護門DIG2的輸出B經由反相器INV2和傳輸門TG5連至輸入端D2；輸入端D1、輸入端D3作為二輸入保護門DIG3的輸入，二輸入保護門DIG3的輸出C經反相器INV3和TG6連至輸入端D3；輸出A、B、C作為三輸入保護門TIG的輸入信號，輸出為Q。本實用新型主要應用於抗輻射集成電路設計。
【專利說明】基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及抗輻射集成電路設計領域，尤其設計使用二輸入保護門和三輸入 保護門對時序電路進行加固，使其具有抵抗單粒子翻轉（Single event upset，SEU)和多比 特翻轉（Multiple-bit upset，MBU)的能力的電路設計。具體講，涉及一種基於三輸入保護 門的抗輻射鎖存器。
【背景技術】
[0002] 對於應用於空間環境中的數字電路，特別是時序電路，單粒子翻轉的發生會嚴重 影響晶片功能的正確性。現有的加固技術多數針對SEU，但是隨著集成電路尺寸的減小以及 晶片供電電壓的下降，電路內部節點可以存儲的關鍵電荷量大大減少，使MBU發生的機率 逐步上升，從而影響電路的性能。
[0003] 鎖存器是電路中最常用到的存儲單元，對於鎖存器的加固尤為重要。常用的設計 加固方法（Radiation Hardened-by Design, RHBD)有代碼級加固和電路級加固還有版圖級 加固等。電路級加固方法例如經典的模組冗餘，用三模冗餘抵抗SEU，用五模冗餘抵抗單粒 子注入引起的雙節點翻轉。這種方法會大大增大電路面積，也就增大了電路延時和功耗。
【發明內容】
[0004] 為克服現有技術的不足，本實用新型旨在提供一種能夠抵抗多節點翻轉的結構簡 單的鎖存器。為此，本實用新型採用的技術方案是，基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器，由 6個傳輸門TG1?6, 3個反相器INV1?3, 3個二輸入保護門DIG1?3和一個三輸入保護 門構成，有三路相同的輸入信號分別對應輸入到輸入端Dl、D2、D3,輸入端Dl、D2、D3分別 依次對應通過傳輸門TG1、傳輸門TG2、傳輸門TG3送入對應的二輸入保護門DIG1?3,輸 入信號經輸入端D1、輸入端D2作為二輸入保護門DIG1的輸入，二輸入保護門DIG1的輸出 A經過反相器INV1和傳輸門TG4連至輸入端D1 ;輸入端D2、輸入端D3作為二輸入保護門 DIG2的輸入，二輸入保護門DIG2的輸出B經由反相器INV2和傳輸門TG5連至輸入端D2 ; 輸入端D1、輸入端D3作為二輸入保護門DIG3的輸入，二輸入保護門DIG3的輸出C經反相 器INV3和TG6連至輸入端D3 ;輸出A、B、C作為三輸入保護門TIG的輸入信號，三輸入保護 門TIG輸出為Q。
[0005] 二輸入保護門DIG結構為，使用兩個PM0S管PM1和PM2串聯，兩個NM0S管NM1和 NM2串聯；PM1的源級接VDD，PM2的漏極接NM2的漏極，NM1的源級接GND，PM1和NM1的柵 極作為一個輸入A，PM2和匪2的柵極作為另一個輸入B，PM2和匪2的漏極作為輸出0。
[0006] 三輸入保護門TIG的結構為：使用三個PM0S管PM4、PM5、PM6串聯，三個NM0S管 NM4、NM5、NM6串聯；PM4的源級接VDD，PM6的漏極接NM6的漏極，NM4的源級接GND，PM4和 NM4的柵極作為一個輸入A，PM5和匪5的柵極作為另一個輸入B，PM6和NM6的柵極作為另 一個輸入C，PM6和NM6的漏極作為輸出0。
[0007] 電路中傳輸門所用電晶體採用最小尺寸，反相器的P管的寬度是最小寬度的2倍， 來保證上升時間和下降時間的一致。DIG所用電晶體尺寸是反相器的2倍，TIG所用電晶體 的尺寸是反相器的3倍。
[0008] 本實用新型的技術特點及效果：
[0009] 本實用新型是通過結構設計的手段對電路進行加固的，因此能夠抵抗由於單個輻 射粒子造成的不同阱中多個敏感節點的同時翻轉，從而使鎖存器的存儲狀態不會發生改 變。
[0010] 本實用新型使用電晶體數目較少，可以減小電路面積和功耗還有延遲時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器結構；
[0012] 圖2 (a) DIG的電晶體級結構，（b) DIG的邏輯符號，（c) DIG的時序圖；
[0013] 圖3 (a) TIG的電晶體級結構，（b) TIG的邏輯符號，（c) TIG的時序圖。
【具體實施方式】
[0014] 使用如圖1所示的電路結構。該鎖存器結構包括6個傳輸門TG1?6, 3個反相器 INV1?3,3個二輸入保護門（Double Input Guardgate, DIG)DIG1?3和一個三輸入保護 門（Trible Input Guardgate，TIG)。它有三路相同的輸入信號01、02、03，它們分別通過 開關TG1、TG2、TG3送入鎖存器。Dl、D2作為DIG1的輸入，DIG1的輸出A經過一個反相器 INV1和開關TG4連至它的一個輸入端D1。同樣D2、D3作為DIG2的輸入，輸出B經由反相 器INV2和TG5連至D2。D1、D3作為DIG3的輸入，輸出C經反相器INV3和TG6連至D3。A、 B、C作為TIG的輸入信號，輸出Q。其中的DIG(如圖2(a)所示為其電晶體級結構，（b)為其 邏輯符號，（c)為其時序圖）使用兩個PM0S和兩個NM0S串聯，PM1和PM2串聯，NM1和NM2 串聯，PM1的源級接VDD，PM2的漏極接匪2的漏極，匪1的源級接GND，PM1和匪1的柵極作 為一個輸入A，PM2和匪2的柵極作為另一個輸入B，PM2和匪2的漏極作為輸出0。DIG在 兩個輸入不相同的時輸出為高阻態。在兩個輸入信號相同時，該單元的功能與反相器的功 能一致。TIG(如圖3(a)所示為其電晶體級結構，（b)為其邏輯符號，（c)為其時序圖）與 DIG類似，使用三個PM0S管和NM0S管串聯，有三個輸入埠，在三個輸入信號不相同時輸出 為高阻態。在三個輸入信號相同時，該單元的功能與反相器的功能一致。該鎖存器透明狀 態時TG1?3導通、TG4?6截止，信號由D傳至Q。保持狀態時TG1?3截止、TG4?6導 通，在這個階段可能發生粒子轟擊引起的電平翻轉。
[0015] 下面分析此結構如何抵抗SEU和MBU。內部節點有6個，可以分為2組，分別是節 點{Dl、D2、D3}和{A、B、C}，也可以按構成單元分類，分為3個支路{DIG1，INV1}，{DIG2， INV2}，{DIG3, INV3}。發生SEU時，可以分為2類，即SEU分別發生在第一組節點和第二組 節點。首先分析D2和A節點如何屏蔽SEU，其它的第一組節點與D2類似，第二組節點與A 類似。SEU發生在D2時，D2是DIG1和DIG2的輸入，所以這兩個DIG狀態浮空，輸出A和B 和C在這個時鐘周期內保持不變，屏蔽錯誤，鎖存器輸出Q也就保持不變。SEU發生在節點 A時，支路{DIG1，INV1}浮空，但是B和C保持正常，所以鎖存器輸出Q保持不變，可以屏蔽 所有的SEU。
[0016] 當發生雙節點翻轉（Double-node Upset, DNU)時，共有15種組合，可以分為三類。 我們取三種典型情況進行說明。當D1和D2發生DNU時，DIG1的兩個輸入同時變化，A的狀 態發生翻轉，支路{DIG1，INV1}浮空，通過INV1使D1的狀態在該時鐘周期內不可恢復，而 B的狀態不變，D2的狀態通過INV2得以恢復，C的狀態也不變。所以TIG的三個輸入中有一 個狀態A變化，輸出Q保持不變。當DNU發生在D2和A時，A的錯誤電平通過INV1使D1發 生翻轉，DIG2的兩個輸入信號D1和D2都錯誤，所以B也發生錯誤翻轉，支路{DIG1，INV1} 和{DIG2, INV2}浮空。但C是正確的，所以TIG的輸出電平仍正確。當DNU發生在A和B 時，D1和D2的狀態通過INV1和INV2發生錯誤翻轉，支路{DIG1，INV1}和{DIG2, INV2}浮 空，但D3和C是正確的，所以TIG的輸出Q仍正確。但是如果輸出節點Q發生錯誤電平翻
【權利要求】
1. 一種基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器，其特徵是，由6個傳輸門TGl?6, 3個反相 器INVl?3, 3個二輸入保護門DIGl?3和一個三輸入保護門構成，有三路相同的輸入信號 分別對應輸入到輸入端DI、D2、D3，輸入端DI、D2、D3分別依次對應通過傳輸門TGl、傳輸門 TG2、傳輸門TG3送入對應的二輸入保護門DIGl?3,輸入信號經輸入端D1、輸入端D2作 為二輸入保護門DIGl的輸入，二輸入保護門DIGl的輸出A經過反相器INVl和傳輸門TG4 連至輸入端Dl;輸入端D2、輸入端D3作為二輸入保護門DIG2的輸入，二輸入保護門DIG2 的輸出B經由反相器INV2和傳輸門TG5連至輸入端D2 ;輸入端D1、輸入端D3作為二輸入 保護門DIG3的輸入，二輸入保護門DIG3的輸出C經反相器INV3和TG6連至輸入端D3 ;輸 出A、B、C作為三輸入保護門TIG的輸入信號，三輸入保護門TIG輸出為Q。
2. 如權利要求1所述的基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器，其特徵是，二輸入保護門 DIG結構為，使用兩個PMOS管PMl和PM2串聯，兩個NMOS管NMl和NM2串聯；PMl的源級接 VDD，PM2的漏極接匪2的漏極，匪1的源級接GND，PMl和匪1的柵極作為一個輸入A，PM2 和匪2的柵極作為另一個輸入B，PM2和匪2的漏極作為輸出0。
3. 如權利要求1所述的基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器，其特徵是，三輸入保護門 TIG的結構為：使用三個PMOS管PM4、PM5、PM6串聯，三個NMOS管NM4、NM5、NM6串聯；PMl 的源級接VDD，PM3的漏極接匪3的漏極，匪1的源級接GND，PMl和匪1的柵極作為一個輸 入A，PM2和匪2的柵極作為另一個輸入B，PM3和匪3的柵極作為另一個輸入C，PM3和匪3 的漏極作為輸出0。
4. 如權利要求1所述的基於三輸入保護門的抗輻射鎖存器，其特徵是，所用電晶體的 寬長比如表1所示： 表1
電路中傳輸門所用電晶體採用最小尺寸，反相器的P管的寬度是最小寬度的2倍，來保 證上升時間和下降時間的一致，DIG所用電晶體尺寸是反相器的2倍，TIG所用電晶體的尺 寸是反相器的3倍。
【文檔編號】H03K19/094GK204258775SQ201420549291
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】徐江濤, 閆茜, 姚素英, 聶凱明, 史再峰, 高志遠 申請人:天津大學