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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术具有原理简单、易实现、加固效果好等优点。易实现、加固效果好等优点。易实现、加固效果好等优点。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术主要涉及到电子系统抗辐射
，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。

技术介绍

[0002]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
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Event Effect)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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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 for Bulk CMOS Differential Circuit Design”文章中提出了交叉匹配的共中心技术(differential common
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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。
[0008]目前已有的研究工作已经实现了对差分输入对管M3和M4的有效加固，但尚未有相关研究关注于有源负载管M1和M2的单粒子加固。如果M1晶体管受到单粒子轰击，M1和M2晶体管的栅极电势抬升，Vout输出电压降低；如果M2晶体管受到单粒子轰击，其漏极直接连接输出，将会导致Vout输出电势升高。因此无论是M1晶体管还是M2晶体管受到单粒子轰击都会对电路输出造成扰动。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种原理简单、易实现、加固效果好的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。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]一种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；
[0012]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；
[0013]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。
[0014]作为本专利技术放大器的进一步改进：所述有源负载管M1中的第一晶体管MA1和第二晶体管MA2、以及有源负载管M2中的第三晶体管MB1和第四晶体管MB2均以交叉方式摆放。
[0015]作为本专利技术放大器的进一步改进：所述第一晶体管MA1和第二晶体管MA2以及第三晶体管MB1和第四晶体管MB2相邻之间间距为满足工艺规则的最小间距。
[0016]作为本专利技术放大器的进一步改进：所述第一晶体管MA1与第二晶体管MA2的长度和宽度相同，均与有源负载管M1长度相同，宽度为有源负载管M1的一半；所述第三晶体管MB1和第四晶体管MB2的长度和宽度相同，均与有源负载管M2长度相同，宽度为有源负载管M2的一半。
[0017]作为本专利技术放大器的进一步改进：所述第一晶体管MA1、第二晶体管MA2、第三晶体管MB1和第四晶体管MB2的长度和宽度均相同。
[0018]本专利技术进一步提供一种抗单粒子瞬态效应的加固方法，用于差分输入单端输出放大器，即将作为有源负载的M1和M2晶体管拆分成两组晶体管MA1、MA2和MB1、MB2；分别将晶体管MA1、MA2以并联方式连接，将晶体管MB1、MB2以并联方式连接。
[0019]作为本专利技术加固方法的进一步改进：将作为有源负载的M1和M2晶体管拆分成两组长度不变、宽度减半的晶体管MA1、MA2和MB1、MB2。
[0020]作为本专利技术加固方法的进一步改进：所述有源负载管M1中的第一晶体管MA1和第二晶体管MA2、以及有源负载管M2中的第三晶体管MB1和第四晶体管MB2均以交叉方式摆放。
[0021]作为本专利技术加固方法的进一步改进：相邻晶体管之间间距为满足工艺规则的最小
间距。
[0022]作为本专利技术加固方法的进一步改进：
[0023]单粒子轰击到M1晶体管时，M1晶体管的衬底和漏极之间的PN结导通，在电势差的作用下正电荷从N阱传播到漏极，导致漏极电压抬升；有源负载管M1的连接方式为漏极与栅极相连，并且连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种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；其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述有源负载管M1中的第一晶体管MA1和第二晶体管MA2、以及有源负载管M2中的第三晶体管MB1和第四晶体管MB2均以交叉方式摆放。3.根据权利要求1所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述第一晶体管MA1和第二晶体管MA2以及第三晶体管MB1和第四晶体管MB2相邻之间间距为满足工艺规则的最小间距。4.根据权利要求1所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述第一晶体管MA1与第二晶体管MA2的长度和宽度相同，均与有源负载管M1长度相同，宽度为有源负载管M1的一半；所述第三晶体管MB1和第四晶体管MB2的长度和宽度相同，均与有源负载管M2长度相同，宽度为有源负载管M2的一半。5.根据权利要求4所述的差分输入单端输出放大器，其特征在于，所述有源负载管M1和有源负载管M2长度和宽度均相同；所述第一晶体管MA1、第二晶体管MA2、第三晶体管MB1和第四晶体管MB2的长度和宽度均相同。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭阳，刘婧恬，梁斌，陈建军，池雅庆，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：