УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ БЛОК КОЛЬЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МЕТАЛ-ОКИСЕЛ-ПОЛУПРОВОДНИК (КМОП) ТРАНЗИСТОРАХ
VOLTAGE CONTROL UNIT OF RING GENERATORS ON COMPLETE METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR (CMOS) TRANSISTORS

Изобретение относится к области микроэлектроники, к управляемым напряжением блокам кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах, и может быть использовано при проектировании сверхбольших интегральных схем (СБИС) по нанометровым (менее 100 нм) технологиям объемного кремния, предназначенных для автомобильной промышленности, авионики, аэрокосмических и других применений.
Известны генераторы, управляемые напряжением, использующие инвертирующие каскады, управляемые напряжением [1-2].
1
Наиболее близким к заявленному изобретению является одиночный управляемый напряжением кольцевой генератор на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах [1], содержащий нечетное число n инвертирующих каскадов, управляемых напряжением, причем выход последнего каскада генератора соединен со входом первого каскада (Фиг.1). Инвертирующие каскады управляются внешним напряжением Ureg либо непосредственно по шине питания (Фиг. 2, а, б), либо с использованием элементов «токового зеркала» (СМ - current mirror), первый каскад (первичный источник тока) которого входит в состав инвертирующего элемента, либо является общим для всех элементов генератора (Фиг. 2, в). Данный генератор выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатком прототипа генератора является пониженная радиационная стойкость при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) и пониженная сбоеустойчивость при воздействии электрических помех в шинах питания.
Техническим результатом изобретения является создание управляемого напряжением блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах с повышенной радиационной стойкостью при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) и повышенная сбоеустойчивость при воздействии электрических помех в шинах питания, за счет наличия по меньшей мере трех одиночных генераторов, входы управления и выходы которых объединены и являются соответственно общим входом управления и выходом блока кольцевых генераторов.
Поставленный технический результат достигнут путем создания управляемого напряжением блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах, содержащего по меньшей мере три одиночных генератора, причем входы управляющего напряжения одиночных генераторов объединены и являются общим входом управления блока кольцевых генераторов, выходы одиночных генераторов объединены и являются общим выходом блока кольцевых генераторов, а выводы шин питания одиночных генераторов являются раздельными.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими графическими материалами.
Фиг. 1. Блок-схема управляемого напряжением кольцевого генератора (VCO - voltage-controled oscillator) на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах, выполненная согласно прототипу.
2
1
Фиг. 2. Принципиальная электрическая схема инвертирующих элементов управляемого напряжением кольцевого генератора на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах, выполненная согласно прототипу: а), б) - элементы с управлением (Ureg) по шине питания, в) - парафазный элемент с использованием схемы «токового зеркала» СМ, СМ - первичный источник тока.
Фиг. 3. Блок-схема управляемого напряжением блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 4. Диаграммы формы сигнала в узлах управляемого напряжением блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах, при наличии сбоев в одном из элементов при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ), выполненные согласно изобретению.
Рассмотрим более подробно вариант выполнения заявленного управляемого напряжением блока кольцевых генераторов на комплементарных метал-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторах (Фиг. 3 - 4). Управляемый напряжением блок кольцевых генераторов содержит более трех (m ≥ 3) одиночных генераторов, входы управления и выходы которых объединены и являются соответственно общим входом управления и выходом предлагаемого генератора. Напряжения питания каждого из генераторов в блоке могут быть раздельные (Фиг. 3). Оптимальным числом параллельно соединенных генераторов в блоке является четыре - пять. Для низкочастотных схем достаточно трех генераторов, для сверхбыстродействующих - до шести. Для предотвращения множественных сбоев число параллельно соединенных генераторов необходимо увеличивать. Поскольку генераторы занимают незначительную площадь на кристалле, увеличение площади блока генераторов по сравнению с одиночным генератором практически не увеличивает площадь СФ-блоков на кристалле, в которых они используются.
Для проверки эффективности заявленного изобретения проведено электрическое моделирование блока из четырех генераторов и блока из трех генераторов, построенных с использованием выходного мажоритарного элемента. Результаты моделирования приведены на Фиг. 4, где 1 - импульсы тока в узлах одиночных генераторов при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ), 2, 3 - последовательные сбои в соответствующих узлах генераторов в блоке, 4 - сигнал на выходе мажорируемого блока из трех генераторов, 5 - сигнал на выходе блока из четырех генераторов.
Как следует из приведенных диаграмм, заявленный блок кольцевых генераторов удовлетворяет заявленным требованиям и корректирует сбои в отдельных генераторах при воздействии ОЯЧ. Заявленный блок кольцевых генераторов эффективнее блока использующего мажорирование сигналов отдельных генераторов.
Хотя описанный выше вариант выполнения заявленного 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Loveless T.D., Massengill L.W., Bhuva B.L., Holman W.T., Reed R.A., McMorrow D., Melinger J.S., Jenkins P. A Single-Event-Hardened Phase-Locked Loop Fabricated in 130 nm CMOS // IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 54. No. 6. Dec. 2007, pp. 2012-2020.
2. Заявка на патент US 2018/0246161 A1.