【摘要】 深度解析DCC布局技术如何通过电荷共享机制提升体CMOS差分电路抗单粒子效应能力，揭示其在28nm以下工艺节点的辐射加固优势，包含激光实验数据及5位ADC验证系统测试结果。

在高端模拟及混合信号电路设计中，差分电路因其卓越的共模噪声抑制能力和宽动态范围而广受青睐。然而传统差分架构在抗辐射领域仍存在明显短板，单粒子效应引发的电压瞬变可能造成关键节点信号失真。本文将解析新型抗辐射加固（RHBD）技术——差分电荷消除（DCC）布局的创新应用。

体CMOS差分电路DCC布局结构对比图 展示电荷共享路径优化

图 1. 5.1 nJ 激光照射短沟道设计的 PMOS 输入晶体管 M10 和 M3后的最大扰动误差图，无（a）和有（b）DCC 硬化【1】

 

核心技术突破：DCC布局工作机制

DCC布局通过重构晶体管物理排布实现智能电荷管理，其创新点在于：

1.利用差分对的对称特性，将单粒子撞击产生的局部电荷扩散转化为共模信号

2.通过优化金属互联路径，使敏感节点的电荷分布趋于均衡

3.保持传统公共质心布局的匹配精度，面积增量控制在3%以内

实验数据显示（图2），在1.7-5.1nJ激光能量冲击测试中：

  • 传统布局最大电压扰动达220mV
  • DCC布局将扰动峰值压制至35mV以下
  • 在5.1nJ高能冲击下，DCC电路表现优于低能级传统设计

 

DCC布局与常规设计单粒子效应电压扰动对比曲线图

图 2. 针对不同激光能量绘制的图 1 误差图的一维切割【1】。

 

技术优势与应用验证

采用500nm短沟道工艺的测试芯片显示：

  • 敏感区域面积缩减达12倍（1个数量级）
  • 45°斜角入射时的电荷中和效率提升40%
  • 配套5位ADC系统的误码率降低至10^-6量级

值得注意的是，随着工艺节点微缩至28nm以下：

  • 电荷共享效应将更加显著
  • 角度入射防护效能预计提升60-80%
  • 适用于航天电子、核医学成像等极端环境

 

工程实现要点

1.差分对管采用菱形交叉布局

2.金属层添加冗余电荷泄放通道

3.深N阱隔离配合动态衬底偏置

4.版图验证需执行蒙特卡洛匹配分析

 

参考文献：

[1] Blaine R W, Atkinson N M, Kauppila J S, et al. Differential charge cancellation (DCC) layout as an RHBD technique for bulk CMOS differential circuit design[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2012, 59(6): 2867-2871.

 

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