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随着集成电路逐渐发展到深亚微米级,电路的可靠性问题越来越值得关注。不仅在航空航天领域,低海拔工作的电路也可能发生软错误。同时,电子设备的安全性能也逐渐受到关注。数字隔离器的作用是将两个系统进行电流隔离,确保电气绝缘的基础上实现两系统间的信息交互或功率传输。数字隔离器不仅可以提高设备的电气安全,还可以防止系统之间互相干扰。数字隔离器的隔离方式分为光耦隔离、变压器隔离和电容隔离。光耦传输速率低且面积功耗大,电容隔离无差分输入共模抑制特性较差,分离式变压器隔离很难实现单片集成。利用MEMS工艺可以在硅衬底上制作芯片级片上微型变压器,可以实现低功耗、耐高压隔离、小型化的数字隔离器变压器的单片集成。本文的设计采用面对面芯片堆叠结构的片上变压器实现隔离。基于片上变压器的数字隔离器需要采用相匹配的调制模式。本文采用脉冲计数调制模式,即将数字方波信号的上升沿调制成2个窄的正脉冲,下降沿调制成1个窄的正脉冲。根据该调制模式,设计出数字隔离器的发送模块和接收模块。发送模块中包括调制模块和刷新模块,无论是直流还是方波信号都能被正确的调制并发送。调制后的信号经过片上变压器由接收器接收后解调,恢复原始信号。集成电路的电离辐射效应分为总剂量辐射效应(TID)和单粒子辐射效应(SEE)。TID会诱发场氧下漏电流以及阈值电压的漂移。SEE中主要有SET、SEU、SEL。即SEE会诱发输出节点非正常翻转以及触发闩锁电流。本文在已设计的数字隔离器电路的基础上,对电路进行电路级和版图级的抗辐射加固,实现整个数字隔离器的抗辐射能力。其中包括采用双互锁存储结构以及时间冗余结构对时序电路进行加固;采用加强网络的方法对组合逻辑门电路进行加固;版图设计中采用环栅结构;对于关键器件,采用保护环结构进行加固。本文设计基于CSMC 0.5μm MIX-Signal工艺设计,实现一个双向四通道的基于片上变压器的抗辐照数字隔离器。通过Cadence Spectre仿真以及流片验证,本文设计的抗辐照数字隔离器可在温度为-40℃~+125℃,电源电压为3V~5.5V范围内实现大于60MBPS隔离传输,传输延迟小于32ns。抗辐射加固后的隔离器抗TID能力大于100krad(Si),SEL的LET阈值大于60MeV.cm~2/mg。