一种基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法与流程

1.本发明属于抗辐照技术领域，具体为一种基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法。


背景技术：

2.近年来世界范围内又产生新一轮的太空探索，除世界各主要航空大国相继出台了一系列航天发展规划，spacex作为美国一家民营航天制造商和太空运输公司也雄心勃勃地向火星进发。美国国家航空航天局(national aeronautics and space administration,nasa) 与2006年公布了重返月球计划，目标为2024年前在月球上建立永久基地，并以此为跳板，为人类登陆火星作准备。我们国家航天事业发展非常迅猛，从1999年我国成功进行了7次神舟系列宇宙飞船发射，到2020年嫦娥五号完美完成中国航天史上最复杂任务并带回了月球样品、天问一号开启前往火星数亿千米的旅程。
3.集成电路作为航天器的大脑核心，其性能和功能已成为衡量航天器性能的重要指标之一。智能化是未来航天器的发展趋势，航天器中的电子系统不仅仅需要通信、数据采集处理、目标识别锁定，更重要是对航天器的无人控制以及突发事件的实时处理等。然而在空间辐射环境中，辐照作用会对电子元器件产生不同程度的破坏。
4.空间辐射来自宇宙射线，太阳耀斑以及围绕地球的内、外范艾伦辐射带，此外还有太阳风、极光辐射、太阳x射线以及频谱范围较宽的电磁辐射。它主要由高能质子、高能电子、x射线、中子、γ射线等组成。空间辐射对模拟、射频以及毫米波电路产生的主要影响方式是总剂量效应(total ionizing dose,tid)，当电子电路暴露于电离辐射环境中，随着时间的积累而改变器件的特性，这是一种永久的效应。辐射作用于电子设备，对其性能产生不同程度的影响，甚至失效，进而导致整个电子系统瘫痪，因此辐照加固设计对航天应用的集成电路来说非常必要。
5.目前，国际上的微电子技术发展很快，比如中国台湾的tsmc公司、umc公司以及法国的xfab公司，这些厂商成熟的工艺线达到纳米级，因此工艺线上流片的电路对耐总剂量效应tid的能力增大，然而仍需要对电路进行辐照加固以满足未来人类征服宇宙过程中面临的越来越复杂的宇宙环境。
6.传统的辐照加固采用晶体管级辐照加固方法(如图1所示)及电路级辐照加固方法(如图2所示)。晶体管级辐照加固方法常用图1中的环形栅结构，将漏端整个包围在栅端内，栅端整个包围在漏端内，以减小tid效应产生的边缘寄生晶体管和背栅效应的作用，此外类似的版图加固方法还有h形栅设计。电路级辐照加固方法如图2所示，主要采用片外调制方法，通过检测放大器的输出频谱，通过计算机辅助进行频谱分析，控制dc偏置单元对放大器工作状态进行调整，从而减小总剂量效应对电路性能的影响。然而这种方法需要一个大型的频谱分析仪器和计算机辅助计算，无法在一片芯片上实现辐照加固的方法，并且具有一定的延时，无法实时地对放大器工作状态进行调整，修正放大器的电路性能。
7.针对上述问题，本发明提出了一种基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方
法。本发明通过采用恒定跨导的偏置电路，自动检测辐照对晶体管产生的影响，自适应地调整偏置电路使放大器始终工作在恒定跨导状态，从而在单块芯片上实现辐照加固，很好地实现电路级辐照加固的集成，同时大大降低了辐照加固的成本。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法，以解决辐照总剂量作用下，对晶体管阈值电压和载流子迁移率产生的影响，导致放大器工作状态发生变化，性能恶化的问题。
9.本发明提出的基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法，是对放大器100设置一个恒定跨导偏置电路110；其中，放大器100用于实现射频及毫米波的小信号放大，可适用于窄带及宽带情形；采用晶体管的放大器100输入pin和输出pout两端实现电压或功率的信号放大；恒定跨导偏置电路110为放大器100的晶体管提供恒定跨导偏置，使放大器始终工作在合适的值。
10.本发明中，放大器100在辐照对芯片上产生的总剂量效应作用下，晶体管器件表面和体内的氧化陷阱电荷会产生影响，引起器件性能退化，晶体管阈值电压漂移和沟道载流子迁移率等参数的降低，跨导、小信号特性、噪声参数等均会发生偏移。放大器性能发生改变，无法满足正常工作需求。放大器偏置不采用常用的dc偏置，而采用恒定跨导偏置电路110，使放大器100的跨导保持恒定，减小辐照对放大器100晶体管跨导产生的影响，从而减小小信号特性及噪声性能的恶化，实现辐照加固。
11.进一步地，恒定跨导偏置电路110在放大器的工作过程中，检测放大器100中晶体管的工作状态，自适应地使放大器100中晶体管跨导保持恒定，修正辐照作用下引起的晶体管阈值电压漂移和沟道载流子迁移率等参数降低导致的跨导偏移，使放大器100在辐照总剂量效应的作用下始终能保持正常的小信号工作状态，实现辐照加固。
12.进一步地，基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法，所述的放大器(100) 和恒定跨导偏置电路110采用片内集成的方式，在单块芯片上实现辐照加固，同时大大降低了辐照加固的成本与实用性。
13.进一步地，放大器100可以应用在模拟电路的放大器中，也可以应用在射频/毫米波收发机中的pa和lna中，包括但不限于列举的应用，其他应用也可以。放大器(100) 可应用于电压/电流/功率的小信号放大。
14.进一步地，恒定跨导偏置电路110可以通过电阻实现跨导恒定，也可以用过开关电容实现跨导恒定，还可以通过工作状态为电阻的晶体管实现跨导恒定。
15.进一步地，放大器100和恒定跨导偏置电路110可以在cmos工艺下制作，也可以在bicmos工艺下制作，还可以在gesi工艺下制作，也可以在gaas工艺下制作，包括但不限于列举的工艺，其他工艺都可以。其中晶体管可以用双极晶体管制作，也可以用结型场效应晶体管制作，还可以用mosfet制作。
16.本发明通过基于恒定跨导的偏置电路自适应的根据辐照总剂量效应对放大器晶体管阈值电压和载流子迁移率等参数的影响，调整晶体管跨导使放大器小信号工作状态恒定，降低辐照总剂量效应对放大器噪声、增益等小信号性能的影响，在单片上实现放大器的电路级的辐照加固。
17.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
18.传统的辐照加固电路级辐照加固方法采用片外调制方法，该方法需要一个大型的频谱分析仪器和计算机辅助计算，无法在一片芯片上实现辐照加固的方法，并且具有一定的延时，无法实时地对放大器工作状态进行调整，修正放大器的电路性能。而本发明通过采用恒定跨导的偏置电路，自动检测辐照对晶体管产生的影响，自适应地调整偏置电路使放大器始终工作在恒定跨导状态，从而在单块芯片上实现辐照加固，很好地实现电路级辐照加固的集成，同时大大降低了辐照加固的成本与实用性。
附图说明
19.图1为环形栅晶体管辐照加固设计。
20.图2为片外调制电路级辐照加固设计。
21.图3为本发明的基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法模块图的电路结构图。
22.图4为本发明方法在射频/毫米波接收机上的窄带lna中实现的电路结构图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明提出了一种基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法。采用恒定跨导的偏置电路，自动检测辐照对晶体管产生的影响，自适应地调整偏置电路使放大器始终工作在恒定跨导状态。
25.如图3所示，本发明的基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法，包括放大器 100和恒定跨导偏置电路110，放大器100用于模拟/射频/毫米波小信号在放大器100pin 和pout两端实现信号的电压/电流/功率放大。恒定跨导偏置电路110与放大器100相连，用于给放大器100提供偏置，同时让晶体管跨导保持恒定，实现在辐照总剂量效应的作用下，即使晶体管阈值电压和载流子迁移率等参数发生偏移，晶体管的跨导仍能恒定，放大器小信号工作状态仍正常。
26.由上可知，本发明通过检测放大器100的晶体管工作状态，在辐照总剂量效应的作用下根据晶体管阈值电压和载流子迁移率等参数的变化，通过恒定跨导偏置电路110自适应调整放大器100小信号工作状态，以实现辐照加固设计，使放大器100能更加适用于航空应用中，同时单片集成极大的减小了面积及成本，具有极佳的实用性。
27.如图4所示，为本发明基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法的具体实施举例，其为应用在射频/毫米波接收机上的窄带lna。lna核心模块100为放大器100的具体实施方法。核心模块100由第一共源nmos管m1和第二共栅nmos管m2组成的cascode结构构成放大级，信号由核心模块100的输入端pin流入，由输出端pout流出。lna中第一共源nmos管m1的源端与负反馈电感ls形成源极负反馈结构，产生输入阻抗的实部，用于输入匹配；第一共源nmos管m1的栅端与由串联输入电容c
in
和栅电感lg组成的输入匹配网络相连，用于信号的
输入，同时由偏置电路提供偏置电压；第一共源nmos管m1的漏端与第二共栅nmos管m2的源端相连，用于信号的输出；负反馈电感ls一端与第一共源nmos管m1的源端相连，另一端与地相连，用于对给第一共源nmos管m1提供地电位；由串联输入电容c
in
和栅电感lg组成的输入匹配网络串联信号输入端pin和第一共源nmos管m1的栅端，用于信号的输入匹配和传输；第二共栅nmos管m2的栅端由电源电压vdd提供偏置电压；第二共栅nmos管m2的漏端与并联的负载电感ld和输出电容c
out
相连，其中负载电感ld另一端与电源电压vdd 相连，用于给第二共栅nmos管m2提供合适的电源电压；输出电容c
out
连接第二共栅 nmos管m2与信号输出端rfout，用于提供输出匹配及隔直流的作用。
28.相应地，偏置模块110为恒定跨导偏置电路110的具体实施方法。lna偏置模块 110采用基于电阻的恒定跨导偏置方式。偏置电路的第三共源nmos管m3的源端与地相连，栅端与漏端相连形成自偏置结构；第四共源nmos管m4的栅端与第三共源nmos 管m3的源端连通，采用第三共源nmos管m3的偏置电压给自身提供镜像偏置；第四共源nmos管m4的源端经过一个负反馈电阻rs连接到地；第四共源nmos管m4的漏端与第六共源pmos管m6的漏端相连，形成电流通路；第六共源pmos管m6的栅端与漏端相连，形成自偏置结构，产生合适的偏压，且源端与电源电压vdd相连，用于提供晶体管正确的电源电压；第五共源pmos管m5的栅端与第六共源pmos管m6 的栅端相连，从而镜像第六共源pmos管m6的栅压，给自身提供镜像偏置；第五共源 pmos管m5的源端与电源电压vdd相连，以提供晶体管正确的电源电压；第五共源 pmos管m5的漏端与第三共源nmos管m3的漏端相连用于形成电流通路。第三、第四、第五、第六共源nmos管m3、m4、m5、m6和负反馈电阻rs构成偏置模块110，第三共源nmos管m3上的跨导由偏置模块110产生一个不依赖于温度、工艺和电源电压的参数，第三共源nmos管m3的跨导g
m3
可以表示为：
[0029][0030]
其中μn是nmos晶体管的载流子迁移率，c
ox
是nmos晶体管的氧化层电容，w是 nmos晶体管沟道宽度，l是nmos晶体管沟道长度，i
d3
是第三共源nmos晶体管沟道电流，k为第四共源nmos管m4与第三共源nmos管m3的尺寸比值。第三共源 nmos管m3的跨导是一个与晶体管器件参数都无关的值，可以实现辐照总剂量效应的作用下，即使晶体管阈值电压及载流子迁移率等参数的变化，偏置模块110第三共源 nmos管m3的跨导仍固定。核心模块100第一共源nmos管m1的偏置由偏置模块 110第三共源nmos管m3提供，因此核心模块100第一共源nmos管m1的跨导也不随辐照总剂量效用的作用而变化，实现核心模块100的自适应辐照加固，从而在单片芯片上完成抗辐照设计的集成。
[0031]
整个基于恒定跨导偏置电路的低噪声放大器抗辐照电路工作流程如下：
[0032]
如图4所示，受到外界辐照总剂量效用的影响，当外界辐照剂量逐渐增大时，lna 100中的第一共源级nmos晶体管m1和第二共栅级nmos晶体管m2的载流子迁移率和阈值电压发生改变，第一共源级nmos晶体管m1和第二共栅级nmos晶体管m2 在当前偏置下的工作状态发生改变，lna100偏离最佳工作状态。与此同时，偏置电路110中的第三共源nmos管m3受到同样总剂量效应的影响，工作状态发生变化，受到偏置电路中第四、第五、第六共源nmos管m4、m5、m6和源极负反馈电阻rs的作用，第三共源nmos管m3产生一个恒定跨导的偏置，而
第一共源nmos管m1的偏置受到第三共源nmos管m3的调制，因此第一共源nmos管m1也处于恒定跨导的状态。辐照总剂量效应虽然对第一共源nmos管m1的阈值电压和载流子迁移率产生影响，但是受到恒定跨导偏置的作用，第一共源nmos管m1的偏置电压自适应的产生调整，使第一共源nmos管m1的跨导保持恒定，因此第一共源nmos管m1的工作状态仍保持最佳工作状态，电路性能保持稳定，实现了电路级辐照加固。
[0033]
综上所述，本发明提供的一种基于恒定跨导偏置电路的放大器辐照加固方法，解决了传统的片外电路级辐照加固方法信号检测、计算、dc调整的集成化问题，实现了单片上完成电路级放大器辐照加固设计。本发明能根据辐照产生的总剂量效应自适应调整放大器的工作状态，实现放大器的跨导恒定，解决了总剂量效应对放大器小信号特性及噪声性能产生的不可逆转的恶化，降低了电路级抗辐照设计的成本及面积，满足了航天应用下对放大器抗辐照性能的需求。
[0034]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。