ТЕСТОВЫЙ БЛОК КОЛЬЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МЕТАЛ-ОКИСЕЛ-ПОЛУПРОВОДНИК ТРАНЗИСТОРАХ
TEST UNIT OF RING GENERATORS ON COMPLEMENTARY METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR TRANSISTORS

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к тестовым блокам кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах для тестирования радиационной стойкости логических элементов при воздействии отдельных ядерных частиц, и может быть использовано при проектировании радиационно-стойких СБИС СнК (сверхбольших интегральных схем типа «система на кристалле») по нанометровым технологиям объемного кремния, предназначенных, в частности, для авионики, аэрокосмических и других применений.
Известны [патент США US 8451028 B2, патент США US  2009/0204933 A1, патент США US 2018/0246161 A1] тестовые структуры для тестирования дефектности КМОП транзисторов и тестирования параметров радиационной стойкости цифровых элементов.
Недостатками этих тестовых структур является их недостаточная универсальность вследствие отсутствия возможности проводения с помощью них всего комплекса радиационных тестирований при воздействии как стационарного ионизирующего излучения, так и ОЯЧ (отдельных ядерных частиц), а также проводения характеризации временных параметров цифровых элементов.
Наиболее близким к заявленному изобретению является кольцевой генератор на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах, описанный в статье [Jiang J., Shu W., Chong K-S., Lin T., Lwin N. K. Z., Chang J.S., Liu J, “Total Ionizing Dose (TID) Effects on Finger Transistors in a 65nm CMOS Process”, Nanyang Technological University, Singapore, 978-1-4799-5341-7/16/$31.00 ©2016 IEEE, pp. 5—8, Fig. 6], который представляет собой (Фиг. 1) кольцевой генератор управляемый внешним сигналом разрешения, состоящий из четного числа последовательно соединенных идентичных логических элементов и инвертирующего устройства управления на вход которого подается сигнал с выхода последнего логического элемента для тестирования дозовой радиационной стойкости логических элементов. Данный генератор выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатком генератора прототипа является его недостаточная универсальность вследствие наличия в нем возможности тестирования только дозовой радиационной стойкости, при этом отсутствия возможности тестирования сбоев при воздействии отдельных ядерных частиц.
Техническим результатом изобретения является создание тестового блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах с повышенной универсальностью, вследствие возможности тестирования радиационной стойкости логических элементов при воздействии отдельных ядерных частиц, за счет наличия двух кольцевых генераторов, содержащих тестируемые логические элементы, а также наличия двухвходового элемента «И» и элемента «исключающее ИЛИ» (схема сравнения), входы которых соединены с выходами кольцевых генраторов.
Поставленный технический результат достигнут путем создания тестового блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах, содержащего первый кольцевой генератор, который состоит из четного числа последовательно соединенных идентичных тестируемых логических элементов и инвертирующего устройства управления, вход которого соединен с выходом последнего тестируемого логического элемента, о т л и ч а ю щ е г о с я тем, что дополнительно содержит второй идентичный кольцевой генератор, причем кольцевые генераторы имеют общий вход, выполненный с возможностью приема сигнала  разрешения управления синхронным запуском обоих кольцевых генераторов, а выходы кольцевых генераторов подключены к входу двухвходового логического элемента «И» и к входу логического элемента «исключающее ИЛИ», при этом выходы логического элемента «И» и логического элемента «исключающее ИЛИ» являются выходами тестового блока, выполненными с возможностью передачи информации о наличии в генераторах сбоев, возникающих при воздействии на них отдельных ядерных частиц.
В предпочтительном варианте осуществления тестового блока тестируемые логические элементы кольцевых генераторов выбраны из набора элементов, содержащего инверторы с различной нагрузочной способностью и логические элементы, у которых только один вход выполнен с возможностью переключения, а остальные входы в зависимости от их функции подключены к шинам нулевого потенциала или питания.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими графическими материалами.
Фиг. 1. Схема кольцевого генратора, выполненная согласно прототипу и заявленному изобретению.
Фиг. 2. Схема тестового блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах, выполненная согласно заявленному изобретению.
Рассмотрим более подробно функционирование заявленного  тестового блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах (Фиг. 1, 2).
Заявленный тестовый блок кольцевых генераторов для тестирования сбоеустойчивости логических элементов (ЛЭ) в цепи при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) состоит из двух схемотехнически и конструктивно-топологически идентичных и синхронно работающих кольцевых генераторов (Фиг. 2), содержащих инвертирующее устройство управления (УУ) для одновременного их запуска (замыкания обратной связи) в режиме генерации, либо установки в состояние лог. «0» или лог. «1» на входах G1 и G2 (Фиг. 1). Число каскадов в логической цепи логических элементов n (n > 2), входящих в состав кольцевых генераторов, всегда четное независимо от типа элемента. Минимальное число каскадов логических элементов в каждом из двух кольцевых генераторов с инвертирующей схемой управления равно пяти, а максимальное число не ограничено. Выходы кольцевых генераторов соединены со входами двух логических элементов: двухвходового элемента «И» и элемента «исключающее ИЛИ» (схема сравнения). При синхронной работе кольцевых генераторов на выходе (SET) элемента «исключающее ИЛИ» (схемы сравнения) постоянно присутствует лог. «1», а на выходе (GEN) элемента «И» - периодический сигнал с постоянной скважностью. При сбоях в одном или обоих кольцевых генераторах, возникающих при воздействии на них ОЯЧ, на выходе элемента «исключающее ИЛИ» (схемы сравнения) появляются беспорядочные импульсы, либо постоянный сигнал лог. «0», а на выходе элемента «И» появляется сигнал с непостоянной плавающей скажностью.
В качестве тестируемых логических элементов кольцевых генераторов могут применяться идентичные инверторы с различной нагрузочной способностью или любые логические элементы, у которых для переключения используют только один вход, а остальные входы в зависимости от их функции подключают к шинам нулевого потенциала или питания.
Заявленное изобретение позволяет осуществлять аттестацию библиотек цифровых элементов по результатам их тестирования на тестовых кристаллах в составе заявленного тестового блока кольцевых генераторов для создания радиационно-стойких высокопроизводительных сверхбольших интегральных схем (СБИС) типа «система-на-кристалле» (СнК) по нанометровым КМОП технологиям объемного кремния с повышенной устойчивостью к одиночным сбоям при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ).
Хотя описанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации заявленного изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявленного изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.