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CMOS器件与电路的微波效应建模与仿真

陈自东  
【摘要】:电磁脉冲对计算机和数字电路系统的干扰与毁伤作用以及防护技术已经成为现在研究的重点之一。高功率微波作为强电磁脉冲的一种重要形式,可以产生功率极高的定向微波进行杀伤,其对数字电路系统的电磁干扰会导致数字电路扰乱、误码、甚至发生误翻转。当前研究主要集中在复杂系统和子系统辐照实验方面,对于电路元器件微波干扰效应的研究主要以注入实验为主。研究高功率微波对基本电路单元的微波干扰作用过程与作用机理具有重要意义。本文研究内容主要包括CMOS器件与电路级的微波干扰效应建模与仿真,对比验证仿真结果并进行分析。本文首先建立CMOS反相器微波干扰HSPICE电路仿真模型,模拟仿真在电源端口耦合注入高功率微波脉冲干扰信号与正常工作信号的叠加信号。改变微波脉冲宽度、幅值、频率、上升/下降沿等参数,考虑电路当前工作状态和电路工作电压的变化,研究微波脉冲对CMOS反向器输出端口逻辑电平的影响。总结电路微波干扰效应规律,得到电路翻转阈值电压/功率。同时对两级级联反相器微波干扰效应也进行了简单的模拟分析。然后利用ISE-TCAD软件建立CMOS反相器二维器件仿真模型,通过观察微波脉冲干扰下反相器内部电流密度以及输出电压的变化,进行CMOS反相器在高功率微波作用下的干扰效应机理评估。通过与电路级仿真结果对比验证,本文研究得出在高功率微波作用下,反相器输出端逻辑电平扰乱波形与干扰脉冲幅值、频率、工作电压以及电路工作状态等相关。具体效应规律如下:干扰脉冲幅值越大,干扰效应越明显,干扰脉冲功率达到翻转阈值,会导致电路翻转;干扰脉冲频率越小,干扰越厉害;电路工作电压越高,干扰/翻转越不容易发生,高电平状态干扰效应更加明显;干扰效应与干扰脉冲上升沿以及脉冲宽度有关;当干扰脉冲功率很大时会触发反相器闩锁效应,形成从电源端口到地端低阻抗通路,在干扰脉冲消失后,反相器经过一段延迟恢复至正常工作状态。本文的研究结果为CMOS反相器在HPM作用下的干扰效应及防护措施的研究提供了理论基础,为进一步的研究提供了参考。


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