一种触发器单元单粒子翻转效应实验验证电路

摘要

本发明一种触发器单元单粒子翻转效应实验验证电路，包括输入端接入时钟信号的高/低电平产生电路，移位寄存器级联级数相等的移位寄存器链A和移位寄存器链B，以及依次连接的比较电路和高电平检测电路；高/低电平产生电路用于根据时钟信号产生同时输入到移位寄存器链A和B的具有周期性的高低电平信号；移位寄存器链A和B中各寄存器的时钟输入端分别连接时钟信号；移位寄存器链A的数据输出端和移位寄存器链B的数据输出端分别连接到比较电路的两个输入端；当同一时刻输入到比较电路的两个输入端数据状态一致，则比较电路输出端输出低电平，状态不一致则输出高电平；高电平检测电路用于识别比较电路的输出信号，并对高电平进行计数统计。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，具体为一种触发器单元单粒子翻转效 应实验验证电路和方法。

背景技术

空间环境中包含各种各样的粒子，如电子、光子、质子、α粒子与重粒 子等，它们都会对微电子器件或集成电路造成干扰，产生负面影响，从而导 致航天飞行器发生故障，即所谓的空间辐射效应。空间辐射效应中最严重、 最普遍的一种效应就是单粒子效应，它能够直接改变触发器单元中存储的数 据状态，从而使集成电路工作异常。因此，航天空间应用领域对半导体集成 电路提出了高可靠抗辐射要求。

目前，抗辐射触发器单元设计主要包括两种加固方法：工艺加固和设计 加固。工艺加固是利用SOI(silicon on insulator)、SOS(silicon on  sapphire)等特殊工艺材料自身抗辐射的特点，使触发器单元具备抗辐射性 能；设计加固指基于普通商用体硅工艺采用DICE与TMR等各种结构，以 提高触发器单元的抗辐射性能。无论采用哪种加固方法，都需要对加固触发 器单元进行抗单粒子翻转效应能力进行评估。目前，专门针对加固触发器单 元进行抗单粒子翻转效应能力评价的电路还比较少。现有的评价方法直接借 助于抗辐射集成电路本身，将电路内部的触发器单元利用可测性设计技术进 行首尾相接，以评估触发器的抗单粒子翻转能力；但是这种方法不仅增加了 评价方法的复杂度，而且电路内部其它单元受单粒子轰击后可能会影响实验 结果的准确性。现有技术中独立的触发器单元抗单粒子翻转评价电路只是简 单用用一条触发器链，并在触发器链输出端固定输入“0”或“1”电平，并 没有考虑到输入信号发生跳变的情况，也没有考虑当触发器数据很大时引起 的大功耗问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种操作简便，验证全面及结 构简单，实验验证功耗低的触发器单元单粒子翻转效应实验验证电路。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一种触发器单元单粒子翻转效应实验验证电路，包括输入端接入 时钟信号的高/低电平产生电路，移位寄存器级联级数相等的移位寄存器链 A和移位寄存器链B，以及依次连接的比较电路和高电平检测电路；高/低 电平产生电路用于根据时钟信号产生同时输入到移位寄存器链A和移位寄 存器链B的具有周期性的高低电平信号；移位寄存器链A和移位寄存器链 B中各寄存器的时钟输入端分别连接时钟信号；移位寄存器链A的数据输 出端和移位寄存器链B的数据输出端分别连接到比较电路的两个输入端； 当同一时刻输入到比较电路的两个输入端数据状态一致，则比较电路输出端 输出低电平，状态不一致则输出高电平；高电平检测电路用于识别比较电路 的输出信号，并对高电平进行计数统计。

优选的，高/低电平产生电路采用伪随机数产生电路。

优选的，本发明还包括输入端接入时钟信号的和菊花链式时钟树网络； 时钟信号经菊花链式时钟树网络分别与移位寄存器链A和移位寄存器链B 中各寄存器的时钟输入端连接。

进一步，菊花链式时钟树网络包括2n个首尾相接的反相器，n为移位 寄存器级联级数；从第一级到最后一级，两个首位相接的反相器组成一个网 络单元，形成n级网络单元，每个网络单元的输出端分别与移位寄存器链A 和移位寄存器链B中同级的位移寄存器的时钟输入端相连，时钟信号与第 一网络单元的输入端相连。

进一步，移位寄存器链A包括n个级联的触发器；链A第一触发器的 数据输入端与高/低电平产生电路的输出端信号相连接，链A非末级触发器 的数据输出端分别和下一级的触发器的数据输入端连接，链A末级触发器 的数据输出端作为输出移位寄存器链A的数据输出端输出对应的数据信 号。

进一步，移位寄存器链B包括n个级联的触发器；链B第一触发器的 数据输入端与高/低电平产生电路的输出端信号相连接，链B非末级触发器 的数据输出端分别和下一级的触发器的数据输入端连接，链B末级触发器 的数据输出端作为输出移位寄存器链B的数据输出端输出对应的数据信 号。

优选的，比较电路包括一个二输入异或门电路，二输入异或门电路的第 一输入端与移位寄存器链A的数据输出端相连接，第二输入端与移位寄存 器链B的数据输出端相连接；二输入异或门电路对其第一输入端和第二输 入端的输入信号运算比较后，产生输出比较信号y，并与高低电平检测电路 的输入端相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过时钟信号控制高/低电平产生电路的工作频率，从而能够根 据单粒子翻转实验时的单粒子入射速率调整时钟信号的工作频率，产生周期 循环的包含“0”与“1”两种状态的数字信号序列，从而能够使得触发器单 元单粒子效应验证电路能够覆盖触发器传播“0”逻辑、传播“1”逻辑以及 传输状态相互切换的各种情况，保证触发器单元抗单粒子翻转效应实验结果 更加接近实际应用情况；利用级数相同的移位寄存器链A和移位寄存器链 B分别作为参比对象，在同一时刻收入相同数据后，保证同一时刻输出信号 的同条件比较，从而能够对由入射粒子引起其中一条移位寄存器链中触发器 单元发生的单粒子翻转事件进行特征检测工作，并配合高电平检测电路完成 采集和计数的统计输出，完成对触发器单元单粒子翻转实验的验证和检测； 双位移寄存器链配合比较电路就实现了翻转事件的特征检测工作，电路结构 实现简单，易于操作，验证全面，可靠性高。

进一步的，通过菊花链式时钟树网络结构能够将时钟信号错开，避免了 所有触发器同时发生翻转引入的瞬态大功耗，降低触发器单元单粒子翻转实 验的瞬时功耗，减小电路电源网络系统的瞬时电压降和地弹效应，提高单粒 子翻转实验结果的精度和有效性。

进一步的，通过由n个触发器其单元构成的移位寄存器链A和移位寄 存器链B，能够满足单粒子翻转实验中对被测对象的要求，通过对n的取值 控制，能够实现对触发器翻转截面的控制，在合理的范围内不仅能够提高单 粒子翻转实验结果的准确性，而且能够满足实际操作和实验需求。

进一步的，通过二输入异或门构成的比较电路，能够区分正常和异常的 工作状态，通过逻辑判断输出高电平，结构简单，稳定可靠。

附图说明

图1为本发明实例中所述条件下产生的各种信号的波形示意图。

图2为本发明实例中所述实验验证电路的结构原理框图。

图3为本发明实例中所述实验验证电路的结构图。

图中：811为高/低电平产生电路；812为移位寄存器链A；813为菊花 链式时钟树网络；814为移位寄存器B；815为比较电路；816为高电平检 测电路；clk为时钟信号；num为被测触发器发生的单粒子翻转事件数；触 发器A1，A2，……，An-1，An，B1，B2，……，Bn-1，Bn是单粒子翻转 效应的实验对象；CK为时钟输入端；Q为数据输出端；D为数据输入端。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

本发明一种触发器单元单粒子翻转效应实验验证电路，如图2所示，其 包括高/低电平产生电路811、移位寄存器链A812和移位寄存器链B814， 以及菊花链式时钟树网络813和高电平检测电路816；高/低电平产生电路 811的输入端与时钟信号clk相连，高/低电平产生电路811的输出端输出具 有周期性的高低电平信号data，并与移位寄存器链A和移位寄存器链B的 输入端相连；移位寄存器链A812的输入端还与菊花链式时钟树网络813的 输出端clka1～clkan相连，移位寄存器链A812的数据输出端Da与比较电 路815的输入端相连。

其中，如图2所示，菊花链式时钟树网络813的输入信号与时钟信号 clk相连，菊花链式时钟树网络813的输出端clkb1～clkbn还与移位寄存器 链B的输入端相连；移位寄存器链B812的数据输出端Db与比较电路815 的输入端相连。菊花链式时钟树网络的主要作用是利用时间位错的方法，降 低触发器单元单粒子翻转实验的瞬时功耗，减小电路电源网络系统的瞬时电 压降和地弹效应，提高单粒子翻转实验结果的精度和有效性。

其中，如图2所示，高/低电平产生电路811主要用于产生输入到移位 寄存器A和移位寄存器B的高低电平信号，它可以是标准的伪随机数产生 电路，但不限于伪随机数产生电路；高/低电平产生电路811在时钟信号的 控制下，产生周期循环的包含“0”与“1”两种状态的数字信号序列，从而 使得触发器单元单粒子效应验证电路可以覆盖触发器传播“0”逻辑、传播 “1”逻辑以及传输状态相互切换各种情况，保证触发器单元抗单粒子翻转 效应实验结果更加接近实际应用情况。

其中，如图2所示，高低电平检测电路816主要用于检测比较电路815 输出信号中的高电平，用从而判断移位寄存器链A812和移位寄存器链 B814中的触发器是否发生单粒子翻转效应以及发生单粒子翻转事件的次 数；高低电平检测电路816的输入信号与比较电路815的输出信号y相连， 高低电平检测电路816输出端输出信号num，获得触发器单粒子翻转次数。 高低电平检测电路816即可以在触发器单粒子翻转效应芯片内部设计实现， 也可以在芯片外部设计实现，即利用单粒子实验板上的其它电路对比较电路 的输出信号y进行采用检测，无论哪种设计方式都应避免高低电平检测电路 受到入射粒子的干扰，对试验结果产生负面影响。

本优选实例中，如图3所示，移位寄存器链A812包括n个触发器 A1～An，其中链A第一触发器A1的数据输入端D与高/低电平产生电路 811的输出端信号data相连接，链A第一触发器A1的时钟输入端CK与菊 花链式时钟树网络813中第二反相器inv2的输出端相连，链A第一触发器 A1的数据输出端Q与链A第二触发器A2的数据输入端D相连；链A第二 触发器A2的时钟输入端CK与菊花链式时钟树网络813中第四反相器inv4 的输出端相连，链A第二触发器A2的数据输出端Q与链A第三触发器A3 的数据输入端D相连；链A第三触发器A3的时钟输入端CK与菊花链式时 钟树网络813中第六反相器inv6的输出端相连，链A第三触发器A3的数 据输出端Q与链A第四触发器A4的数据输入端D相连，……，以此类 推；链A第n-1触发器An-1的时钟输入端CK与菊花链式时钟树网络813 中第2n-2反相器inv2n-2的输出端相连，链A第n-1触发器An-1的数据输 出端Q与链A第n触发器An的数据输入端D相连；链A第n触发器An的 时钟输入端CK与菊花链式时钟树网络813中第2n反相器inv2n的输出端相 连，链A第n触发器An的数据输出端Q输出移位寄存器链A812的最终输 出信号Da，并与比较电路815中二输入异或门的数据输入端a相连。移位 寄存器链A由n个触发器单元构成，是单粒子翻转实验的主要被测对象，n 的取值不宜太小，否则触发器翻转截面很小，影响单粒子翻转实验结果的准 确性。

本优选实例中，如图3所示，菊花链式时钟树网络813包括2n个首尾 相接的反相器inv1～inv2n，其中时钟信号与第一反相器inv1的输入端相 连，第一反相器inv1的输出端与第二反相器inv2的输入端相连；第二反相 器inv2的输出端与第三反相器inv3的输入端相连，并与移位寄存器链A中 链A第一触发器A1的时钟输入端CK及移位寄存器链B中链B第一触发器 B1的时钟输入端CK相连；第三反相器inv3的输出端与第四反相器inv4的 输入端相连，第四反相器inv4的输出端与第五反相器inv5的输入端相连， 并与移位寄存器链A中链A第二触发器A2的时钟输入端CK及移位寄存器 链B中链B第二触发器B2的时钟输入端CK相连；……，以此类推，第 2n-1反相器inv2n-1的输出端与第2n反相器inv2n的输入端相连，第2n反 相器inv2n的输出端与移位寄存器链A中链A第n触发器An的时钟输入端 CK及移位寄存器链B中链B第n触发器Bn的时钟输入端CK相连。

参见图3，移位寄存器链B813包括n个触发器B1～Bn，其中链B第 一触发器B1的数据输入端D与高/低电平产生电路811的输出端信号data 相连接，链B第一触发器B1的时钟输入端CK与菊花链式时钟树网络813 中第二反相器inv2的输出端相连，链B第一触发器B1的数据输出端Q与 链B第二触发器B2的数据输入端D相连；链B第二触发器B2的时钟输入 端CK与菊花链式时钟树网络813中第四反相器inv4的输出端相连，链B 第二触发器B2的数据输出端Q与链B第三触发器B3的数据输入端D相 连；链B第三触发器B3的时钟输入端CK与菊花链式时钟树网络813中第 六反相器inv6的输出端相连，链B第三触发器B3的数据输出端Q与链B 第四触发器B4的数据输入端D相连，……，以此类推；链B第n-1触发器 Bn-1的时钟输入端CK与菊花链式时钟树网络813中第2n-2反相器inv2n-2 的输出端相连，链B第n-1触发器Bn-1的数据输出端Q与链B第n触发器 Bn的数据输入端D相连；链B第n触发器Bn的时钟输入端CK与菊花链 式时钟树网络813中第2n反相器inv2n的输出端相连，链B第n触发器Bn 的数据输出端Q输出移位寄存器链B812的最终输出信号Db，并与比较电 路815中二输入异或门的数据输入端b相连。

参见图3，比较电路815包括一个二输入异或门电路xor2，二输入异或 门电路xor2的输入端a与移位寄存器链A的数据输出端Da相连接，二输入 异或门电路xor2的输入端b与移位寄存器链B的数据输出端Db相连接； 二输入异或门电路xor2对其输入信号a和b运算比较后，产生输出比较信 号y，并与高低电平检测电路816的输入端相连。

使用本发明所述的实验验证电路进行触发器单元单粒子翻转效应实验验 证时，时钟信号clk控制高/低电平产生电路输出“0”、“1”状态的频率，同 时控制移位寄存器链A和移位寄存器链B的数据移位速度；“0”、“1”状态 的数据在移位寄存器链A和移位寄存器链B中进行传播，模拟实际集成电 路的工作状态。

正常工作状态下，移位寄存器链A和移位寄存器链B同一时钟时刻输 入到触发器A1和B1的数据是相同，且移位寄存器链A和移位寄存器链B 的触发器级数相同；因此，同一时钟时刻触发器An和Bn的输出信号也相 同，即比较电路两个输入端信号保持一致，比较电路输出低电平。

当发生单粒子翻转事件时，入射粒子引起其中一条移位寄存器链中的触 发器单元发生单粒子翻转事件，则其对应时钟时刻输入到比较电路两个输入 端的数据状态不一致，此时比较电路输出高电平。

其中，菊花链式时钟树网络主要利用时钟位错技术降低电路工作时的瞬 态功耗，减小电源网络系统的电压降与地弹效应，确保电路正常工作；比较 电路用于区分正常和异常两种工作状态：正常工作状态下，比较电路输出低 电平；触发器单元发生单粒子翻转事件时为异常工作状态，比较电路输出高 电平；高电平检测电路对比较电路的输出信号进行识别，并对其中的高电平 进行统计，最终获得触发器单元发生单粒子事件的次数num。

如图1触发器单元单粒子翻转效应实验验证方法波形示意图所示，在时 钟信号clk控制下，高/低电平产生电路的输出数据data经过n个时钟周期 后传输到比较电路的两个数据输入端a和b；正常工作状态下，输入端a和 输入端b的信号保持一致，比较电路输出端y保持低电平；当移位寄存器链 A和移位寄存器链B中的触发器单元发生单粒子翻转事件时，比较电路输 出端y出现高电平，如图1中所示的单粒子翻转事件1和单粒子翻转事件2 所示；并能够通过高电平检测电路对单粒子翻转事件进行计数和统计，进行 全面的实验验证。本发明所述实验验证电路简单适用，实验验证情况充分、 电路工作瞬时功耗低、实验结果准确，且易于设计、操作简单。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属数字集成电路纳 秒级脉冲信号产生电路的技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下，还 可以设计若干脉冲信号产生电路，都应当视为属于本发明所提交的权利要求 书确定的专利保护范围。