反相運(yùn)算放大器計(jì)算器

反相器是可以將輸入信號(hào)的相位反轉(zhuǎn)180度，這種電路應(yīng)用在模擬電路，比如說(shuō)音頻放大，時(shí)鐘振蕩器等。在電子線路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要用到反相器。隨著微電子技術(shù)與工藝的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以計(jì)算機(jī)為代表的各類數(shù)字電子產(chǎn)品應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與此同時(shí)也面臨著更加復(fù)雜的電磁環(huán)境。CMOS 反相器是幾乎所有數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的核心，它具有較大的噪聲容限、極高的輸入電阻、極低的靜態(tài)功耗以及對(duì)噪聲和干擾不敏感等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成電路中。HPM可以通過(guò)縫隙、孔洞以及外露連接線纜等“后門”途徑，耦合進(jìn)入電子系統(tǒng)內(nèi)部，影響系統(tǒng)內(nèi)器件的正常工作，CMOS 反相器作為構(gòu)成數(shù)字集成電路最基礎(chǔ)的功能單元和數(shù)字電子系統(tǒng)中最為典型的器件，極易受 HPM“后門”耦合作用的影響，進(jìn)而產(chǎn)生干擾、擾亂或直接損傷效應(yīng)。另外，CMOS 反相器有明確的邏輯功能，HPM 或者其它類型的強(qiáng)電磁脈沖對(duì)其產(chǎn)生的擾亂效應(yīng)相比于對(duì)其它器件來(lái)講更加明顯。因此，研究數(shù)字集成電路或者數(shù)字電子系統(tǒng)的 HPM 效應(yīng)，可以從 CMOS 反相器的HPM 效應(yīng)研究入手。已有研究指出 HPM 可以引起 CMOS 反相器的閂鎖(latch-up)效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致擾亂效應(yīng)，Kim等人對(duì)CMOS反相器的HPM效應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，得到了一些重要結(jié)論，比如，當(dāng)HPM頻率較高時(shí)其引發(fā)的CMOS反相器擾亂效應(yīng)將會(huì)被抑制等， CMOS 反相器在 HPM 作用下會(huì)發(fā)生閂鎖效應(yīng)并導(dǎo)致功能擾亂，但是一段時(shí)間后其功能可能會(huì)恢復(fù)正常，HPM 引起 CMOS 反相器閂鎖效應(yīng)的能量閾值特性。這些報(bào)道多數(shù)都是 HPM 效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果描述和規(guī)律統(tǒng)計(jì)，而針對(duì)具體效應(yīng)與規(guī)律進(jìn)行機(jī)理分析和微觀解釋的研究則相對(duì)較少。

CMOS 反相器憑借其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)勢(shì)成為于數(shù)字電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的一種器件。CMOS 反相器是由 n-MOSFET 與 p-MOSFET 組成的互補(bǔ)推拉式結(jié)構(gòu)，n-MOSFET 作為驅(qū)動(dòng)管(下拉管)，p-MOSFET 作為負(fù)載管(上拉管）。包含 p-n-p-n 寄生結(jié)構(gòu)的 CMOS 基本結(jié)構(gòu)示意圖，兩個(gè)晶體管的柵極連接在一起，作為信號(hào)輸入端；兩個(gè)晶體管的襯底分別與它們的源極連接在一起，n-MOSFET 的源極接地 GND，p-MOSFET 的源極接電源電壓 Vdd；n-MOSFET 與 p-MOSFET 的漏極連接在一起作為反相器的輸出端。為了在集成電路中制造 n-MOSFET 和 p-MOSFET，必須形成絕緣的 p 襯底區(qū)和 n 襯底區(qū)，因此，CMOS 集成電路中具有 n 阱、p 阱和雙阱這三種工藝，本文針對(duì) n 阱工藝下 CMOS 反相器進(jìn)行研究，即在重?fù)诫s的 p 型襯底硅上先生長(zhǎng)一層輕摻雜 p 型外延層，然后通過(guò) n 阱擴(kuò)散工藝形成 n 阱，之后再制作場(chǎng)氧化層和柵氧化層，利用雜質(zhì)注入的方式形成源漏區(qū)和高摻雜擴(kuò)散區(qū)，最后淀積和刻蝕出金屬化電極并對(duì)器件表面進(jìn)行一定程度的鈍化保護(hù)。這種情況下CMOS 結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)形成寄生的 n-p-n 雙極型晶體管 Q1 和 p-n-p 雙極型晶體管 Q2，Rsub和 Rwell代表 p 型襯底電阻和 n 阱電阻。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，CMOS 反相器電路可能還會(huì)包含諸如靜電放電(electrostatic discharge, ESD)保護(hù)電路、閂鎖防護(hù)電路以及輸入施密特整形電路等其它附屬電路。

關(guān)于 HPM 效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)主要有兩種方法，即輻照法和注入法。輻照法是指 HPM 以空間電磁波方式對(duì)目標(biāo)電子系統(tǒng)進(jìn)行輻照，得到的是電子系統(tǒng)的 HPM 效應(yīng)閾值。輻照法主要針對(duì)電子系統(tǒng)，能夠比較真實(shí)地模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中電子系統(tǒng)的 HPM 電磁輻射環(huán)境，是獲取電子系統(tǒng)整機(jī) HPM 效應(yīng)閾值的最有效手段；但是這種方法也存在缺點(diǎn)，為了較為真實(shí)地模擬實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)要求較高：微波波束需要覆蓋整個(gè)目標(biāo)電子系統(tǒng)，并且照射強(qiáng)度均勻，這就要求微波源輻射天線與效應(yīng)物之間的距離不能太小，但是通常實(shí)驗(yàn)需要在特定的微波暗室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)空間有限，難以滿足輻照均勻的要求。另外，輻照實(shí)驗(yàn)從 HPM 源到電子系統(tǒng)內(nèi)部元器件須經(jīng)過(guò)電磁傳輸和耦合等復(fù)雜過(guò)程，不利于對(duì)電子系統(tǒng) HPM 效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析。注入法是指 HPM 以傳導(dǎo)方式注入目標(biāo)效應(yīng)物的敏感端口，觀測(cè)其瞬態(tài)響應(yīng)。注入法主要針對(duì)單元電路或器件，更適合于 HPM 效應(yīng)規(guī)律、效應(yīng)機(jī)理及敏感環(huán)節(jié)研究。注入法相對(duì)于輻照法更容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求相對(duì)較低，可以在普通實(shí)驗(yàn)室完成，主要需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是減小注入通道的微波駐波系數(shù)，提高微波注入效率，使更多的微波功率進(jìn)入目標(biāo)電路或器件；二是要做好微波源和效應(yīng)目標(biāo)之間的隔離，避免相互影響和破壞，主要隔離措施有衰減、高通/低通濾波和隔離等。