一种抗辐照加固1553B总线差分接收器的研制

季轻舟，杨力宏，肖 娟 ，汪西虎

(西安微电子技术研究所研发部，陕西西安 710054)

在航天通信总线系统中，各种设备和主机之间均需专门的通信模块电路实现，通信模块电路由协议芯片和发送器、接收器电路组成，其中发送器、接收器是协议芯片与总线之间接口，是其实现正常通信的基础。随着航天技术快速发展，如何延长空间核心器件的寿命，已成为倍受关注的焦点问题。在空间辐射环境下，CMOS器件的参数会发生变化，如阈值漂移、晶体管跨导降低等，严重的辐照还会使空间MOS核心器件失效。因此研究MOS器件的抗辐照加固，提高其抗辐照能力具有深远的意义。

文中采用商用 BCDMOS工艺研制了一款5 V 1 Mbit·s-11553B总线接收器，通过版图设计进行了抗辐照加固，使其芯片具备一定的抗辐照能力。

1 接收器的电路设计

接收器模块由输入滤波放大、比较采样、接收逻辑部分组成，其内部电路等效架构如图1所示。总线上的信号首先经过滤波器对总线上的高频噪声信号进行消除，然后通过差分放大器抑制总线上的共模信号，同时放大差模信号，接着将所放大的差分信号比较采样，最终对比较采样输出的信号进行逻辑运算并输出。

图1 接收器模块内部电路等效架构图

图2为接收器模块输入滤波放大电路设计图。由RC滤波和差分放大器组成。RC时间常数设计为0.063 μs，分别对上高于15.9 MHz的干扰信号进行滤波，并将总线接收信号幅度放大，以利于后级比较器对其进行采样，最终提高接收器接收信号的准确度。

若在电桥平衡的条件下，差分放大器仅对差模分量Vdm做出响应，而不顾共模信号Vcm。如果电桥不平衡，差分放大器不仅对差模分量Vdm做出响应，而且对共模信号Vcm做出响应。考虑电桥不平衡的差分放大器的电路如图3所示，假设其中3个电阻具有标称值，而第4个电阻表示为R2(1-ε)用以考虑电桥不平衡度。

图2 接收器模块输入滤波放大电路

图3 差分放大器的电路

应用叠加原理有

将式(2)表示为一种更有意义的形式

由于电桥不平衡的缘故，此电路不仅对Vdm，而且还对Vcm做出响应，分别称Adm和Acm为差模增益和共模增益，仅在ε→0的极限情况下，才得到理想的Adm=R2/R1和Acm=0。

此电路的共模抑制比为

对于给定的ε，差分增益R2/R1愈大，电路的CMRR愈高。为实现高CMRR，需要进一步减小ε，要使CMRRdB＞40 dB，则电阻失配。

图4为接收器模块比较采样电路设计图，由4个比较器组成。采用4个比较器分别对放大后的b1和b10的信号进行同相和反相采样，采样电压根据系统要求决定。对于b1形成同相信号b13、反相信号b18，对于b10形成同相信号b17、反相信号b19。

图4 接收器模块比较采样电路设计图

图5为接收器模块接收逻辑电路设计图。由多个非门和与非门组成。主要实现3个功能:BUSB和的差分信号输出、同相信号屏蔽;信号运算输出;使能信号控制。利用3输入与非门和2输入与非门实现锁存功能。首先采用3输入与非门实现BUSA和的差分信号输出、同相信号屏蔽功能。具体方法为:将b18和b17进行先非运算再与非门运算;将b19和b13进行先非运算再与非门运算。如果BUSA和为差分信号，则b18和 b17、b19和b13相位相同，与非门输出BUSA信号;如果BUSA和为同相信号，则b18和b17、b19和b13相位相反，与非门输出低信号。对BUS信号的同相采样输出信号和反相采样输出信号通过锁存器进行运算，最终形成稳定的输出信号。利用与非门实现使能信号对输出信号的控制，同时形成两相互不重叠的信号。

图5 接收逻辑控制电路设计图

3 版图加固设计

由于晶体管的辐射加固可以采用工艺加固和设计加固两种方式实现，在此采用了设计加固途径进行，通过版图设计对闩锁效应、场区和电参数的辐射效应进行加固。

3.1 针对闩锁效应的电源、地线设计

在版图电源线、地线的设计时，尽可能增加VDD和GND的接触数量，从而降低电源、地在体硅内的电流密度，降低在横向电阻上的电压降。设计电源接触的位置按下列规则:

(1)VDD接触尽可能的接近P阱，GND接触尽可能的接近N阱。

(2)每个VDD接触，在P阱中有一个邻近的相应的GND接触。

(3)VDD接触尽可能的置于N阱的所有边缘，GND接触尽可能的置于P阱的所有边缘。

(4)所有的VDD和GND接触的面积设计得尽可能大，以降低电阻。

3.2 针对闩锁效应的双保护环版图结构设计

此次抗辐照电路的设计基于商用BCD工艺，其低压NMOS晶体管采用P+和N+双保护环，P+环接晶体管的源极或VSS，N+环接晶体管VDD;低压PMOS晶体管采用N+和P+双保护环，N+环接晶体管的源极或VDD，P+环接VSS;至于LDMOS晶体管，该工艺设计规则要求采用P+、N+、P+、N+4层保护环结构，PMOS晶体管采用的N+埋层和N+和P+双保护环设计消除了寄生衬底PNP和横向PNP的影响，NMOS晶体管采用的N+埋层和P+和N+双保护环设计消除了寄生衬底PNP和NPN的影响，所以说这种结构可有效地防止闩锁效应。

3.3 场区加固版图设计

消除场区边缘辐射寄生漏电的方法之一是避开场区，使电路中MOS器件不存在场区边缘，从版图设计上实现MOS器件的场区加固。鉴于商用BCDMOS Process为常规工艺，没有采取抗辐照措施，所以低压器件的场区加固版图设计均采用如图7所示H栅结构。H结构栅结构使NMOS器件的有源区在栅的方向大于注入区，即在注入区和场氧之间留有一条区域，这样可有效避开场区，没有场区寄生管。

3.4 抑制电参数变化的版图设计

(1)输入差分对和电流镜晶体管的匹配。

图7 H栅结构

版图设计上，运放和比较器输入差分对管采用多单位交叉耦合设计技术，对称连线，尽可能提高差分对管对称性;电流镜采用单元并联的方式，提高电流比例精度，这些措施都可减小辐射诱发的阈值电压变化量差异及漏电特性差异。

(2)电阻的匹配。

带隙基准电路的输出电压与电阻的比例密切相关。版图设计中，考虑了这些电阻的布局和匹配。将存在比例关系的电阻均采用同一电阻单元的串并联方法实现，将电阻单元呈阵列分布，串联电阻交叉串联匹配，并在电阻阵列的最外侧设计DUMMY，目的是减小工艺因素对电阻比值的影响。

4 电性能测试及抗辐照试验

利用FLEX混合信号测试系统对该电路进行测试，测试结果如表1所示。图8为示波器测试接收器输出的波形。测试结果表明，接收器的电参数满足系统要求。同时对该电路进行了抗辐照摸底试验，对试封的收发器电路取样4只进行了γ总剂量辐照摸底试验;现场试验采用1553B总线系统环境，判据为总线通讯是否正常，试验后对电路进行了电参数测试，电路参数正常;现场γ总剂量最大为87 krad(Si)时，总线通讯正常。对试封的收发器电路取样5只进行了单粒子辐照摸底试验;采用3种粒子对开帽后的5只样品进行轰击，注量率为104ions·cm2·s-1，每只样品电路累计注量达到107，没发现有单粒子闩锁发生，5只受试电路功能正常。

表1 接收器测试结果

续表1

图8 示波器测试接收器输出波形图

5 结束语

设计了一种低功耗的抗辐照加固5 V 1 Mbit·s-11553B总线差分接收器，采用商用 BCDMOS Process，该电路差分结构不仅对总线上的高频噪声有滤波作用，而且对总线上的共模信号进行抑制，在解决输出脉宽、接收阈值、输出多脉冲、输出脉宽展宽、总线偏移等问题的同时，降低了芯片的功耗。通过版图设计对闩锁效应、场区和电参数的辐射效应进行加固。试验结果表明，电路的性能良好，可广泛用于1553B总线系统。

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