25 MHz高速抗辐照存储器的验证方法设计

邓玉良，罗春华，李洛宇，刘云龙

(深圳市国微电子有限公司，广东深圳518000)

随着集成电路特征尺寸的减小和电路对高速、大带宽和低电压的需求增加，电流型电路逐步受到广泛关注。由于电流型比较器的低电压、高速及与数字CMOS集成电路工艺兼容等特点，目前已广泛应用在存储器、模数转换器、滤波器和振荡器等系统。

常见电流比较器有以下两种:源跟随型电流比较器［1］，由于有一段死区使得输入阻抗很大，难以工作在高速系统中;电阻负反馈型电流比较器［2］，由于负反馈降低了输入和输出阻抗，使得后级放大器很难判断，而且随工艺、电压、温度(PVT)变化时性能差别很大。因此这两种电流比较器难以在应用于PROM存储器。

由于需研制的抗辐照PROM存储器速度较快，因此在研制过程中采用了本文提出的电流型比较器。由于PROM存储单元通过的电流小，因此要求该电流型比较器输入阻抗较小;由于PROM存储器中采用了多个电流型比较器，因此需要对这些电流型比较器之间进行较好的匹配;同时因为抗辐照PROM存储器工作环境复杂，因此要求该比较器在工艺、电压、温度(PVT)变化时保持良好的一致性。综上所述，经过巧妙设计，本文提出的电流型比较器达到了上述要求，使得抗辐照PROM存储器能够稳定工作在25 MHz频率下，同时抗辐照测试结果表明，该比较器也有良好的抗辐照能力。

本文主要针对存储器在高速及抗辐照方面进行设计，为该类型器件在航空航天系统中应用提供了保障，同时为高速抗辐照芯片设计提供参考。

1 基准电流源电路结构

本文所采用电流源为图1所示，为了实现高精度电流基准，将带隙电压经过反馈加载在电阻上生成基准电流［3-8］。由于本文所采用的电流同时作为偏置电流和阈值电流，需要仔细设计基准电流。

相对于存储器常用的普通基准电流，本文中的基准电流更加稳定，随电源温度变化非常小，数字噪声影响减小，系统更加稳定可靠。所采用的电阻温度特性和电压特性都比较好，但绝对值偏差较大;通过查找相应流片模式下SMIC 0.18 μm工艺的PCM参数，能够得到很好的电阻阻值分布。经过仿真验证，基准电流相对温度变化小于100×10-6/℃，电源电压引起基准电流变化小于100×10-6/V，能够满足工程应用。

图1 基准电流结构

2 比较器电路结构

比较器主要由3部分组成，如图2所示。关键电路在于比较器输入端和参考端形成的电流镜，其思路主要为实现低输入阻抗及较高输出阻抗［3-7］。由于比较器输出端有较大负载，因此改为普通电流镜，这样能够使偏置电流迅速地为比较器输入端充电;同时保持MOS管匹配和增加L值，减小失配和噪声带来的影响，详细分析参考第3部分。

图2 比较器电路结构

第1部分为电流阈值调节，通过两个配置信号调节加入到电流比较器参考端的上拉电流。第2部分为电流镜，检测参考电流和输入电流差Δi，并通过电流镜的输出电阻ro转换成电压Δv，即v=Δro·(Iref-Iin)。第3部分为电压放大，由一个两级放大器组成，由于不存在反馈，不需要频率补偿，Vout=Δv·Av=ro·(Iref-Iin)·Av。调节适当的 MOS 管尺寸，使ro和Av保持足够大，就能够正确读取很小的输入电流;同时应该考虑比较器速度，使各节点的寄生电阻电容尽量小。比较器整体仿真阈值，最大阈值范围 11 μA ～14 μA，其最小阈值范围3 μA ～4 μA，能够满足应用。

3 整体电路工作原理

整体电路示意图如图3所示，除去上述电流基准及比较器外，还加入了清零信号及存储单元。

图3 整体电路原理

存储单元 存储单元的编程前特性与电容类似，等效电阻大于 1 MΩ，即等效输入电流小于1 μA。存储单元的编程后特性与电阻类似，存储单元编程后的电阻范围为50 kΩ～250 kΩ，即输入电流大于 10 μA。

读取功能 在本文中比较器的功能是如何区分上述的1 μA和10 μA，并且保证在温度电源电压变化的情况下能够在规定时间正确读取存储数据。将比较器的阈值电流设定为5 μA左右(可调)，因此比较器能够将存储数据正确读取。

优化速度 比较器输入端的电压约为400 mV，每次读取时都需要对其充放电，因此充放电的速度就会影响整体读取速度。读0时，由于通过比较器输入端放电比较慢，所有在输入端加入一个清零脉冲，每次读取都产生一个清零，这样读取0数据就非常快;读1时，由于此时有存储单元的电流，及比较器输入端的偏置电流，两路电流同时对比较器输入端的位线负载进行充电，因此读1的时间也比较快。通过测试，在读0和读1情况下都能够达到25 MHz。

4 单粒子效应仿真

优化抗辐照设计之前，采用100 MeV-cm2/mg单粒子能量进行单粒子效应仿真，遍历比较器及参考电流源的各点，统计得到如表1的仿真数据。

表1 单粒子效应仿真各节恢复时间

优化抗辐照设计之前，采用100 MeV-cm2/mg单粒子能量进行单粒子效应仿真，改变敏感器件的特征尺寸，统计得到如图4的仿真数据。

图4 单粒子对不同尺寸MOS管仿真恢复时间

通过第3部分的整体电路读取分析，可知比较器正常工作时一直处于读取状态，因此单粒子效应仿真只会产生瞬态翻转。通过表1的仿真结果，可以得出整体电路中对单粒子效应敏感的节点;通过图4的仿真结果，可以将敏感节点相连的器件进行尺寸调节，使单粒子效应影响降到最低。由于本文中的比较器较敏感，且电路采用的工艺尺寸较小，而采用的单粒子仿真能量太高，因此这样的优化设计能够将瞬态翻转时间降为最小。

本节通过电路级单粒子效应仿真，给出比较器的单粒子效应，得出比较器相关结点受到单粒子作用时，不会出现锁存错误的数据，实现了PROM存储器的高可靠性。

5 加固设计及验证

电路级加固选择三模冗余方法，电路结构如图5所示，并通过单粒子效应仿真验证其已对单粒子效应免疫。

系统级加固如图6所示，采用EDAC校验码，由32 bit数据data及7 bit校验码code，能够达到纠一检二的目的。

图5 三模冗余

图6 EDAC校验码

6 单粒子辐照试验

单粒子翻转测试系统主要由FPGA芯片、PROM芯片及FLASH芯片组成，通过高速的FPGA作为主要控制器，芯片的工作频率为25 MHz，测试流程如图7所示，其流程为:

图7 试验流程图

(1)在实验前，分别在抗辐照PROM和FLASH中写入相同的数据;

(2)在试验过程中，FPGA分别读取PROM和FLASH中的数据，并进行比较，如果数据相同则继续读取下一位地址，数据不同时，则记录一次翻转，并通过串口将错误的地址及数据发送到上位机。

(3)试验完成后，保存上位机数据，并通过软件计算翻转次数。

单粒子辐照试验采用90 MeV-cm2/mg的能量，单粒子辐照总注量达到107离子数/cm2，通过上述试验流程，未检测到单粒子翻转情况。

7 结论

本文以PROM存储器为背景，介绍了比较器在系统中的作用，并提出所采用的比较器，详细分析该比较器的优势及原理。通过电路设计及仿真，可以优化电路的抗辐照性能。最后通过三模冗余和系统加固的设计思路，对电路进行加固设计，并通过单粒子模拟试验证明加固的可靠性。

本文中采用的电路已经通过流片，并封装成测试样片，经过全部地址的测试，PROM存储器工作频率大于25 MHz。单粒子辐照试验已经完成，满足芯片的设计要求。

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