单粒子瞬态测试的方法和原则

一般来说，针对瞬态电流和电压信号的测试方法与原则均适用于离子诱发单粒子瞬态现象的测试。在单粒子瞬态测试中，针对具体电路，可以有许多种不同的测试方法，如直接测试方法、自测试电路测试法、基于芯片的内嵌式SET脉宽测试方法、基于芯片外的SET脉宽测试方法等。虽然这些方法的测试应用范围和条件各有不同，但其遵循的一般测试原则有以下几个方面：

第一，SET发生时的检测一般都采用示波器检测瞬态脉冲，但专门自测试电路不需示波器检测。

第二，对SET相关参数进行标定，规定触发条件、幅值和脉宽等。

第三，SET探针的选取（R或其他）。

第四，实施对器件或电路功率的监测，以及控制与数据处理等。

另外，方案设计及测试过程应该注意的事项主要包括：输入电压影响测试、电源电压的选择、脉冲捕获的设置条件、输出电压的影响，以及SET波形的数据处理等。人们在单粒子瞬态现象的测试试验和加固性能评估中，开发出了许多相关的测试方法，下面具体介绍两种基本SET测试方法。

（一）直接测试法

一般的单粒子瞬态脉冲都是用连接到线性电路上的数字存储示波器捕捉的，因此，示波器的触发模式对SET脉冲的捕捉至关重要。一般地说，一个上升沿的触发模式只能捕捉到一个正的脉冲波形，而下降沿的触发模式能够捕捉负的脉冲波形。因此，在单粒子瞬态测试中，示波器的触发电平设置应当尽量接近样品的输出电平信号，电压幅值和扫描周期设置尽量能够捕捉到离子在器件中诱发的整个SET脉冲波形。在单粒子瞬态试验研究中，电路的偏置条件对线性电路的单粒子瞬态敏感性和瞬态波形都有影响。因此在单粒子瞬态试验测试方案设计中主要考虑输入电压条件对单粒子瞬态敏感性的影响，以实现在试验测试过程对输入电压的可控性，同样，在单粒子瞬态试验测试方案设计中也要关注电源偏压条件对单粒子瞬态敏感性的影响，输出负载对单粒子瞬态现象的影响等，图4-6给出了针对比较放大器的单粒子瞬态测试电路的基本组成。此外，试验的测试设备，以及测试设备中的电缆、探头和负载的设置，都会对单粒子瞬态波形有一定的影响，因此，在试验评估中要选择合适的测试设备，设定合理的参数，图4-7为针对单粒子瞬态测试的探针设计示意图。由于单粒子瞬态脉冲波形在通过测量仪器时会受漂移电容影响而产生失真，因此直接测量误差较大。虽然测量仪器在不断改进，但由于单粒子瞬态脉宽太窄，仍难以满足瞬态脉冲的捕捉和测试要求，且高频示波器价格昂贵；另外，现行电子器件和集成电路功能和结构也越来越复杂化，这就限制了直接测试方法的广泛应用。

图4-6　单粒子瞬态测试电路的基本组成

图4-7　单粒子瞬态测试的探针设计示意图

（二）自测试电路测试法

鉴于直接测试法的缺点，在针对单粒子瞬态现象的芯片级加固设计评估中，在集成电路制造中，提出了一种直接在芯片内搭建自测试电路来测试单粒子瞬态脉冲的方法，这种方法直接在芯片上集成单粒子瞬态脉冲产生、处理和捕捉等模块，为检测瞬态脉冲宽度提供便利。在脉冲产生模块中，鉴于早期集成电路组合逻辑单元较小，瞬态脉冲主要产生于锁存器、存储器等时序逻辑电路中，因而自测试电路中脉冲产生模块主要为锁存器等时序电路；但随着器件尺寸减小，组合逻辑电路对单粒子也愈发敏感，甚至较时序电路更严重，因此，脉冲产生模块应包含各种组合逻辑电路。文献［20］采用不同扇入扇出比及不同驱动能力的16种链路作为其测试结构的脉冲产生电路，以收集各种电路工作状态下的单粒子瞬态脉冲；文献［22］中的脉冲产生模块采用大量组合逻辑电路，并独立占用被测芯片的一大块区域，以提高其单粒子瞬态脉冲产生能力。(www.xing528.com)

实际应用中，只有超过某固定宽度的瞬态脉冲才会对电路工作形成干扰，因而对潜在威胁的瞬态脉冲进行捕捉，可提高研究效率。针对该现象，测试电路中一般包含单粒子瞬态脉冲宽度筛选电路，以过滤脉冲宽度较小且不足以影响电路性能的单粒子瞬态脉冲。常见的单粒子瞬态脉冲宽度筛选模块采用时间三路冗余电路，如图4-8所示。

图4-8　SET脉冲宽度筛选电路

在该电路中，输入的脉冲信号分三路经不同ΔT的延迟连接到表决器；表决器采用多数表决来选取三个输入信号中居多数的逻辑状态作为输出的逻辑状态。当输入脉冲宽度小于ΔT时，三个输入信号在同一时间最多有一路输出，因而表决器将不会有脉冲输出；当输入脉冲信号宽度大于ΔT时，在ΔT时间后以及ΔT加上脉冲宽度时间前，表决器中至少有两条链路有瞬态脉冲输出，因此表决器将输出与输入信号相同的脉冲，仅在时间上较输入信号延迟了ΔT。

脉冲宽度筛选电路可以滤除来自脉冲产生电路或产生于其内部的宽度小于ΔT的瞬态脉冲。若输入脉冲信号符合宽度大于ΔT的要求，则瞬态脉冲被后续电路捕捉，并使其输出端发生翻转。若试验中检测到输出端发生翻转，则表示捕捉到对电路有潜在威胁的单粒子瞬态脉冲。SET研究中还需要标定单粒子瞬态脉冲宽度。利用多级锁存器串联特性并使输入信号转换为锁存器状态参数的方法，可对单粒子瞬态脉冲宽度进行简单测量。SET脉冲宽度测量电路如图4-9所示。

图4-9　SET脉冲宽度测量电路

从图中可以看出，SET脉冲宽度测量电路主要由脉冲信号产生电路、控制信号产生电路和延时翻转电路组成。在该测量电路中，控制信号产生模块主要由RS触发器、与非门和反相器组成，可以将输入脉冲信号的开始端和结束端，分别转换为“begin”和“end”两个信号的电平变化。begin信号的初始状态为“1”，当有脉冲信号的始端经过时，begin信号变为“0”；end信号的初始状态为“0”，当脉冲信号的尾端经过时，end信号变为“1”。

延时翻转电路主要由多级RS触发器串联组成。end信号作为每级电路的使能端，当end信号为“1”时，begin信号经每级RS触发器传递，并使每一级输出信号变为“1”；当end信号由“1”变为“0”时，每级RS触发器输出信号将不再变化。此时整个信号已通过控制信号产生电路，并在延时翻转电路中转换各输出端的二进制信号。若每一级RS触发器内部的延时为T，则通过观察延时翻转电路中RS触发器输出信号为“1”的个数N，就可推算出输入信号的脉冲宽度约为NT。

自测试电路解决了对高频示波器等测量设备的需求问题，也减少了测试结构对电路拓扑结构和制造工艺的依赖，是目前较为理想的瞬态脉冲宽度测试与标定方法。为了增加测试电路中脉冲的产生与捕获概率，可同时并联N个相同的测试电路，构成测试阵列。这样既可提高SET的产生概率，也可通过增加捕获点，增大后续电路对SET捕获的概率。随着集成电路设计与制造工艺技术的发展，这种自测试电路仍将不断发展和改进。目前，为精确测量脉冲宽度，捕获电路中每一级延时翻转电路的延时应当尽量小，且需增加电路级数。这将导致捕获电路所占芯片面积较大，乃至与瞬态脉冲产生电路的面积相当。此外，上述测试电路中，并未考虑捕获电路中触发器的翻转情况，可能导致标定出现误差乃至误判，因此需在以上方面进行改进。