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面向智能硬件的高速时钟接收电路及自愈电路研究

面向智能硬件的高速时钟接收电路及自愈电路研究

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作者：李丹重庆理工大学

学位级别：硕士

当下,半导体行业的发展突飞猛进,MOS器件的工艺也随着设计者的需求在不断提升。由于器件使用的特征尺寸逐渐变小,晶体管的集成度变得越来越高,随之产生大量影响电路整体性能的各种因素,如热载流子效应、偏压温度不稳定性、电子迁移等问... 详细信息

当下,半导体行业的发展突飞猛进,MOS器件的工艺也随着设计者的需求在不断提升。由于器件使用的特征尺寸逐渐变小,晶体管的集成度变得越来越高,随之产生大量影响电路整体性能的各种因素,如热载流子效应、偏压温度不稳定性、电子迁移等问题开始被放大。针对高速链路被广泛应用于许多电路设计中,并且时钟电路是高速链路的重要部分,因此,研究时钟电路的可靠性问题就变得非常有必要。时钟接收电路作为接收信号的电路,对信号起着一定的调节作用。为了保证时钟信号在传输通道中能够维持稳定,这一部分的电路需要严格把控设计。在这样的大前提下,对高速时钟接收电路及自愈电路的研究具有非常大的意义。研究高速时钟接收电路可靠性之前,需先对电路的初始性能进行验证,确保电路的初始性能完整良好,以便能够与受到热载流子注入效应后的接收电路的性能进行对比。本设计使用的热载流子效应等效电路模型采用65nm工艺的NMOS晶体管设计,该热载流子效应的等效电路模型一共提供了沟道宽度(W)、通道长度(L)、环境温度(Temp)、应力时间(Year)以及工艺角等可调节的输入参数。将高速时钟接收电路中的所有NMOS管用热载流子效应的等效模型替换,实现精准估计热载流子效应对高速时钟接收电路的性能的影响。在研究电路退化状态的过程中,热载流子效应使NMOS管的衬底电子发生偏移,阈值电压增大,进而饱和漏电流降低,导致电路的跨导减小,即降低了电压转换电流的能力。根据高速时钟接收电路在热载流子效应下的退化情况,提出了一种具有负反馈调节方式的自愈电路来实现补偿功能。借助修复电路本身的结构特点,设计自愈电路的负反馈方式的实现结构,且该电路的输出电压随应力时间增大。自愈电路的偏置电压升高,补偿了高速时钟接收电路中第三级运算放大器的电流,使自愈后的第三级运算放大器的电流在热载流子效应下退化程度降低。通过仿真验证,未使用自愈电路的高速时钟接收电路在热载流子效应下的占空比值由0年的51.50%下降至30年的35.40%,交叉点电压在30年后下降至1.8m V,功耗降至4m W,并且在退化到第32年时,时钟波形彻底失真,电路的性能老化十分严重。另外,高速时钟接收自愈电路能够保持50年的性能波动较小,时钟占空比值由0年的51.37%退化至50年的53.59%,交叉点电压向上退化到893m V,功耗降低至9m W,整体参数呈现较小的变化差值。说明高速时钟接收自愈电路对电路的性能退化起到了良好的减轻作用。

关键词：热载流子注入自愈高速时钟接收电路时钟占空比退化

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