一种抗单粒子翻转的D触发器
樊磊1,2，张圣君5，严珂5, 王 科1,2，姜维春3,4, 李鲜3,4 , 王铮1,2，刘振安1,2，张万昌3,4，曹学蕾3,4
1.核探测与核电子学国家重点实验室（中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学）
2.中国科学院高能物理研究所 实验物理中心, 北京100049;
3.粒子天体物理科学院重点实验室，北京100049;
4.中国科学院高能物理研究所 粒子天体物理研究中心，北京100049
5.电子科技大学 成都学院 微电子技术系，成都 611731
seifert基金项目: 国家自然科学基金资助项目(10905065)；中国科学院高能物理研究所青年创新基金资助项目(粒子探测器读出芯片抗辐射关键技术研究)
摘要:
本文以互锁存储单元DICE结构为基础，设计了一种具有一定抗单粒子翻转能力的D触发器，并对该电路进行了仿真，与传统结构的D触发器相比，DICE结构的D触发器具有一定的抗单粒子翻转的能力，将来
可以应用在具有抗辐射性能的粒子探测器读出芯片中。
关键词: 集成电路设计；抗辐射设计；单粒子翻转；D触发器
随着高能物理和空间粒子物理的快速发展，许多实验装置对集成电路（ASIC）的需求不断增加；由于此类实验常常处于某种程度的辐射环境，为了保证系统的正常运行，对芯片的抗辐射性能有一定要求。因此，具有抗辐射能力的芯片已经成为粒子物理实验探测器中必不可少的部分。
随着集成电路工艺技术的发展，晶体管特征尺寸越来越小，电路中表征电平的电量也随之减小，导致数字集成电路越来越容易发生单粒子翻转效应，即便在不认为有辐射的环境中，也有发生单粒子翻转的可能性。D触发器是数字电路中使用最多的时序器件，所以本文设计了一种抗单粒子翻转的D触发器。
1、单粒子翻转效应和抗单粒子翻转技术
数字电路在辐射环境中，周围的能量粒子会渗透到芯片内部，并发生电离辐射，在能量粒子的运动轨迹上产生一定数目的电子和空穴对，这些由于单个能量粒子电离辐射而产生的电子和空穴有可能在电场的作用下被电路的内部节点吸收，吸收了电子或者空穴的节点有可能改变原有的电平。上述效应称为单粒子翻转效应。在辐射环境中工作的集成电路，比如在卫星中工作的集成电路、顶点探测器的读
出芯片，都受到单粒子翻转的威胁。1975年，美国通信卫星的数字电路中的JK触发器，由于重核粒子的作用被触发，发生误翻转，这是第一次有记录的单粒子翻转现象。
主从D触发器一般由两个相同的锁存器构成，所以对触发器抗单粒子翻转的设计就是对锁存器的加固设计。目前国内外的抗单粒子翻转锁存器的设计已经很成熟，常用的加固技术有：空间冗余技术、时间滤波技术、电荷补充技术、编码技术和双重互锁存储单元DICE(Dual interlocked storage cell)技术等。相比与其它的加固方式，DICE在面积、速度和功耗是比较有优势，所以我们使用DICE技术来设计D触发器。
2、使用DICE技术构建的主从边沿D触发器
图1是最普通的主从结构边沿D触发器的电路图，当传输门T1导通时，D端的数据写入触发器，如果电路中的一个传输节点发生了单粒子翻转，输出的结果也会发生改变。因此这种结构的D触发器是不具有抗单粒子翻转特性的。
图1 普通的主从结构边沿D触发器图 2 DICE结构的电路图在双互锁存储单元（DICE）的结构中，采用单管反相器构成反馈环，获得一个锁存结构，DICE 的电路结构如图2所示，一个单元由四个互锁的反相器组成，这种结构的电路有四个内部的存储节点，当其辐射的环境中工作时，如果其中一个存储节点发生单粒子翻转效应，并不会影响输出节点的变化，只是当相邻的两个节点同时翻转时，输出才将发生翻转，从而可以有效的减小输出端发生单粒子翻转的几率。基于DICE结构的特点，我们以DICE结构为基础设计了一种主从边沿D触发器。
3、仿真与版图设计
图3 传统D触发器和DICE触发器的仿真波形
我们在触发器的一个敏感节点加入一个翻转信号，即在一定的时间段内，将原来的高电平拉低到低电平，可以看到采用DICE结构的D触发器的输出波形并没有发生变化，而传统的D触发器输出则发生翻转，仿真波形如图3所示。通过仿真我们还发现，在DICE结构中，如果两个相邻的两个节点同时发生
翻转，那么输出也会发生翻转，因此在版图设计中，我们将相邻的两个敏感节点尽量远离，把MOS管的尺寸设计的比较大，以增大敏感节点的寄生电容，从而实现电荷补充，达到进一步提高抗单粒子翻转能力的作用，同时，在版图中采用了其它技术增加了单元抗单粒子锁定的能力。
4、结论
通过仿真验证了DICE触发器相比于传统D触发器具有更好的抗单粒子翻转的能力，电路和版图的设计已经完成，预计在今年7月流片，并计划利用重离子加速器作为模拟源，设计相应的测试电路，对芯片进行抗辐射测试。
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A SEU-Hardened D Flip-Flop
Lei Fan1,2,Ke Wang1,2,Shengju Zhang5,Ke Yan5, Weichun Jiang3,4, Xian Li3,4 , Zheng Wang1,2,Zhen an Liu1,2,Xuelei Cao3,4
1. State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics (Institute of High Energy Physics, CAS and University of Science and Technology of China)
2. Experimental Physics Center, Institute of High Energy Physics, CAS, Beijing 100049
3. Key Laboratory of Particle Astrophysics, CAS, Beijing 100049
4. Particle Astrophysics Center, Institute of High Energy Physics, CAS, Beijing 100049
5. School of Microelectronics, Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Cheng Du, 611731
Abstract: Based on Dual interlocked storage cell, a D flip-flop of strong hardness to Single Event Upset (SEU) for radiation environment is designed. The simulation shows that the DICE DFF has a significantly improved SEU hardness, compared with the type D flip-flop. The DICE DFF will be used in the particle detector readout chip.
Key words: IC design; radiation-hardened design; single event upset; D flip-flop

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