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异常电压检测电路的设计与仿真
毕 业 设 计（论文）
题目：
异常电压检测电路的设计与仿真
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指导教师
完成日期
摘要
现代社会，如何有效的保证电子芯片正常稳定的工作是我们设计电路时考虑的重点。
为使芯片能够抵抗外界异常环境所带来的故障攻击，我们从故障导入这个环节入手，在芯片内部设置异常电压检测电路，用来检测工作电压是否超出正常范围。
设计的检测电路主要由基准点压生成模块、电源电压预处理模块和滞回比较器模块构成，电路设计图在LINUX下的Cadence进行设计，将设计完毕的模拟电路图放到HSPICE上模拟仿真，分析电路的整体特性与工作参数。
我们通过修改电路的具体参数完善整个检测电路的功能，最终得到的异常电压检测电路具有高检测速度，低检测误差。
关键词：
稳定工作；故障攻击；检测电路；电路设计图；Cadence；HSPICE
Abstract
Modernsociety,howtoeffectivelyguaranteethenormalandstableelectronicchipisthefocusofconsiderationwhenwedesignthecircuit.Chipsabletoresistthefaultattackoutsideabnormalenvironment,weimportfromfailurethislinktostarttheabnormalvoltagedetectioncircuitinthechipsetusedtodetectthevoltageisoutsidethenormalrange.Thedesignofdetectioncircuitpressuregeneratedbythereferencepointmodules,supplyvoltagepre-processingmoduleandhystereticcomparatormodules,circuitdesignintheCadencedesigninLINUX,simulationschematicdesigncompletedonHSPICEsimulation,analysistheoverallcharacteristicsandoperatingparametersofthecircuit.Wemodifythecircuitparameterstoimprovethedetectioncircuit,theresultingabnormalvoltagedetectioncircuithasahighdetectionspeed,lowdetectionerror.
Keywords:
stablework;faultattack;detectioncircuit;circuitdesign;theCadence;theHSPICE
第一章绪论
1.1背景
进入21世纪以来，整个世界正在飞速进入全新的电子化、信息化时代，我们日常的工作与生活无时无刻不在与各种芯片、电路打交道。
但是，电子芯片所处的环境对芯片的工作状态影响很大，复杂的外界环境往往会使电路不能正常工作，严重的甚至损坏芯片，造成不必要的损失。
因此，如何设计才能令芯片与内部电路“发现”异常状况，使电子芯片在复杂的工作环境下（例如异常电压、温度、工作频率及其他方面）能够安全而稳定的工作，是研究设计人员关注的核心问题。
现代社会，无论在集成电路的嵌入式系统中，还是在大规模电子芯片内部，设计人员为有效的保护芯片，通常设置一定规模的抵抗故障攻击的电路，也就是我们常说的“保护电路”，从而维持芯片正常稳定的工作。
一般而言，对于整个外部故障攻击过程，通常将其分为三个阶段，即：
故障导入、故障数据收集、数据分析。
因此，我们对其防护措施同样也主要从上述三个层面进行，设计研究人员在设计电子芯片的保护电话时，一般从防止故障导入、已导入故障检测（防止错误结果输出）、增加分析难度三个层面开展电子芯片抗故障攻击的研究。
但是，从哪个层面入手研究最有效、最便捷，设计花费最小，这是设计人员必须要面对并且要解决的问题。
进一步讲，在确定研究层次的前提下，还需要我们明确在此层面上选择一个具体的方面来设计电路。
所以，从哪个阶段入手，往哪个方面研究就成为我们今天急需解决的问题。
1.2防故障攻击简介
1.2.1防止故障导入
故障导入是外部故障攻击实施的前提，也是攻击的首要环节。
防止故障攻击，就是在故障攻击的最初阶段，采取一系列必要的技术手段降低或者削弱故障导入行为对芯片产生的不良影响，或者对故障导入行为进行检测并在结果输出前做出适当的响应。
对于前者的研究方案主要有锁相环、电压稳定电路、特殊封装技术等，为电子芯片提供稳定的运行环境，如电压、频率等。
后者主要是直接针对特定的故障导入方法例如异常电压、频率、温度等，在芯片内部设置异常检测电路，检测电子芯片的工作环境，当环境参数变化超出允许的范围时，整个系统将被复位或者停止工作。
1.2.2故障导入检测
该类防护措施是针对故障导入行为检测无法奏效时，在进行密码运算的同时进行故障（错误）检测，阻止故障导入产生的错误结果输出。
此类防护措施的典型代表主要有编码检错技术和冗余（重复）执行技术。
编码检错是利用数字通信中的差错校验技术对整个加解密运算过程，或其中关键寄存器、存储器内容进行错误（故障）检测，其核心是选择合适的差错编码方法，并实现相应的检错电路。
冗余执行技术可采用硬件和软件实现，其基本思想是通过硬件或软件多次（包括两次）执行运算过程，并通过比较多次运行结果进行错误检测。
1.2.3故障分析难度
该类防护措施本身不能直接直接防止故障导入行为，也不能检测已导入的外部故障，而主要通过增加故障导入或者故障信息收集与分析的难度，实现抵抗故障攻击的目的。
该类防护措施的典型代表是随机化技术，包括时间随机化、数据随机化等。
时间随机化是通过硬件或软件方法在运算过程中随机插入延迟，使密码操作在时域内随机变化，从而使故障分析所需样本数目剧增，达到增加攻击难度的目的。
而数据随机化则是指在密码操作初始化时，插入一个随机数，并建立起中间变量与该随机数间的一个数据变换，在运算结束后，根据上述数学变换消除随机数对运算结果的影响。
当攻击者在密码操作中导入故障后，破坏了两者间的相关性时，将不能正确去除随机数对运算结果的影响，增加了故障分析的难度。
1.3主要研究工作
根据以上三个层面的故障攻击防御策略和研究思路，我们可以得到这样的结论：
相对于已导入故障检测与增加故障分析难度，防止故障导入具有更加明显的优势。
首先，故障导入是实施故障攻击的第一步，也是必经步骤，从防止故障导入这个层面开展电子芯片抗故障攻击技术的研究，既快速又有效，在根本上就遏制了故障对芯片产生的不良影响，做到了防患于未然。
其次，在此层面入手可以在整个电子系统结果输出前做出响应，这样也就减少了很多不必要的时间，尽早判定我们得到的结果是否正确。
第三，根据此层面分析得到的防护措施属于外围辅助防护措施，可在芯片内部电路设计完成后将保护电路集成在同一个硅片上，而后两者则是在电子芯片内部设计实现的，做起来比较麻烦，复杂度高。
我们最终选择的是在芯片内部设置异常检测电路，用来检测芯片的工作环境，电压、频率、温度是现代集成电路最主要的工作环境参数，使它们不超出指定的范围是芯片正常工作的重要保证。
此次，我选择的是异常电压检测电路的设计。
第二章异常电压检测电路总体架构
2.1电压检测电路设计指标的确定
在检测电路设计前，我们必须根据实际的情况和要求来确定它的性能指标，进一步细化电路的各项指标和参数。
依照相关文件和实际情况的需要，综合考虑各种因素，最终确定检测电路的性能指标为：
电压检测范围：
1.62V—1.98V，滞回电压25mv，响应时间<50ns。
2.2异常电压检测电路的总体架构
异常电压检测电路主要由基准电压生成模块、电源电压预处理模块和滞回比较器模块构成，检测电路的系统架构如图1所示。
图2-1电压监测电路系统结构
其中基准电压生成模块采用经典的基于运放反馈的两级缓冲带隙基准，产生两路和电源电压无关且性能良好的基准电压，再通过电阻的分压产生比较器的阈值电压；预处理模块将电源电压分别和一路基准电压进行一定关系的运算，从而生成两路与基准电压具有相同温度波动并与电源电压成线性关系的采样电压信号，以便后级电路比较之用；滞回比较器模块将预处理模块得到的两路采样电压同一设定的阈值电压相比较，当采样电压值大于高阈值电压时，高压报警信号产生，当采样电压低于低阈值电压时，低压报警信号产生，否则取消报警。
2.2异常电压检测电路各模块结构
2.2.1基准电压生成模块
基准电压生成模块采用经典的基于反馈的两级缓冲带隙基准，如下图所示：
图3-1两级缓冲带隙基准
其优点是可以工作在较低的电源电压下，从而具有低功耗的特性。
运放高增益的特点保证了生成模块的反馈精度，使输出电压稳定，另一方面在输出与电源之间有MOS管隔开，因此电路具有较高的电源抑制比。
基准电压源输出1.24V的基准电压。
基准源的总体简易设计图如下所示：
图3-2带隙基准源电路
2.2.2电源电压预处理模块
在实际情况下，由于我们所使用的实际器件的特性并不是理想的，生成的基准电压也并不能保证完全独立于温度，通常有几十个ppm的温漂。
这样检测电路的结果就会受到温度的影响，为了保证电源电压检测不受温度影响，需要我们想办法减少基准电压的温漂，或者使采样得到的电源电压与基准电压具有相同的温漂，以抵消温度带给我们的影响。
而电源电压预处理模块的功能就是将电源电压与一路基准电压做运算，使采样电压既与温度成比例关系，又与基准模块生成的比较器阈值电压具有相同的温漂系数。
下图是预处理模块的简易结构图：
图3-3采样电压生成电路
2.2.3滞回比较器模块
滞回比较器的主要功能就是不会使输入信号在比较器阈值附近因频繁翻转而导致振荡，能够有效地抑制噪声的影响。
滞回比较器有外部反馈和内部反馈两种实现方式：
外部反馈通常采用电阻反馈的形式，其主要优点是滞回电压值会随着反馈电阻的调节而变化，便于调试；而内部反馈则常采用两对闩锁MOS管来实现，MOS管的宽长比决定了滞回电压值，内部反馈的特性是比较器工作速度快，缺点是每个比较器都需要单独设计来满足特定的要求，复杂程度高。
此次设计，为保证检测电路的检测速度，我们采用了内部反馈的方式来设计比较器。
高精度滞回比较器模块的总体简易图如下所示：
图3-4高速比较器
第三章异常电压检测电路设计
3.1基准电压生成模块的设计实现
基准电压生成模块的主要部分是基准电压源，它是整个异常检测电路的核心组件，首先它提供了检测电路中采样电压的的比较阈值电压，另外电压预处理模块中的参考电压也由其提供，因此，一个具有优良特性的基准电压源对于整体电压检测电路的设计实现有着至关重要的作用。
我们都知道，一个良好稳定的基准电压源需要满足以下几个基本要求：
第一，生成的基准电压必须保证与电源电压无关，具有很高的电源抑制比；第二，在一定的范围内温度系数近似为零，也就是保证产生的温漂尽可能的小；第三，还要使基准电压与具体的工艺无关，尤其是与最关键的阈值电压VTH无关。
此外，在具体的设计实现过程中，还应当注意，基准设计的低噪声与低功耗，使其可以在低电源电压下正常工作，最好有一定的驱动能力。
3.1.1电源无关性的实现
基准电压源的电源无关性比较容易实现，因为偏置电流与偏置电压可以通过电阻来相互转化，在自偏置基准电路中，输出的偏置电压基本与电源无关，产生的电压仅由支路上的电阻和MOS管或二极管的阈值电压决定，具有很高的电源抑制比，但它们与工艺和温度的关系很大。
并且，在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题，那就是“简并”偏置点的存在，必须在电路中设置自启动电路，以便在电源上电时能够驱使电路摆脱简并偏置点。
3.1.2温度无关性的实现
因为偏置电压并没有良好的温度无关性，所以基准源的温度无关性设计主要采用温度补偿技术。
温度补偿的具体原理如图2所示，它是采用一个正温度系数的器件与一个负温度系数的器件加权，从而使得最终的输出电压与温度无关。
图4-1基准电路中温度无关性的设计
正温度系数一般用MOS管来实现，其电流在任何工作状态下均为正温度系数，但我们此次采用两个饱和状态下的与温度成正比的PN结电压差VBE；因为实验研究证明如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极--发射极电压的差值就与绝对温度成正比。
如下图所示，如果两个同样的晶体管（IS1=IS2）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么：
图4-2PTAT电压产生电路
这样，Vbe的差值就表现出正温度系数：
而对于负温度系数，PN结的正向电压VBE表现为稳定的负温度系数，经过一系列的计算可得正向电压VBE与绝对温度T之间的具体关系：
上述等式给出了在给定温度T下基极--发射极电压的温度系数，从中看出，它与Vbe本身的大小有关。
在一般的条件下，即Vbe=750mv，T=300K时，正向电压Vbe的温度系数约为：
。
利用上面得到的正、负温度系数的电压，我们就可以通过相关参数的调整来设计出一个近似的零温度系数的基准。
我们知道最终的输出电压应该是正、负温度系数的加权，基本形式为：
Vref=a*Vbe+b*（Vtlnn），这里的Vtlnn是两个工作在不同电流密度下的双极晶体管的基极--发射极电压的差值，则下一步我们就可以通过调节a、b两个系数来使Vref的温度系数为零。
考虑到在室温条件下，我们可以计算得到Vtlnn的温度系数，再假设a的值为1，最终确定Vref=Vbe+17.2Vt=1.25V，因此，只需设计完成一个Vbe与17.2Vt相加的电路即可。
设计出的实际电路如图所示：
图4-3零温度系数的加法电路
最终得到的输出电压温度系数近似为零。
3.1.3基准源电路整体布局
整个基准源电路我们不仅要考虑到电源的无关性与温度的无关性，还要增加合理结构的运放设计以便使整个电路可以工作在较低的电压下，另一方面，运放的反馈调节机制，也使得电路的温度特性得到进一步的改善。
下图为基于运放调节的带隙基准的具体电路实现：
图4-4带隙基准的具体电路
为也满足电压工作的要求，我们将运放的偏置电路采用自偏置的电流镜结构实现，并且为保证运放能稳定在工作饱和区，还设计了一个自启动电路使电路可以在电源电压开启时进入工作状态。
另外，我们还引入了电阻R4和电容C0串联组成的反馈支路生成一个极点来消除高频零点，从而保证运放工作的稳定性。
基于以上设计的基准电压具有良好的电源无关性与温度无关性，并且拥有较低的噪声、功耗与一定的驱动能力。
除此之外，根据上述条件设计出的基准电压源，经过一系列的仿真和验证，我们发现由于工艺角误差的存在，不能保证设计出的芯片中基准电压源的温度特性曲线是一条完整而又平滑的弧线，可能会出现连续增加或者连续减少的情况，这是由于温度补偿不足或超出需求造成的。
为了保证温度补偿系数合适，我们可以通过调整串入带隙基准核中的电阻值来进行对温度补偿系数的调整，从而使得基准电压源的温度特性保持良好。
下图是我们此次设计采用的trim基准电压源的电路结构与电路图：
图4-5trim基准电压源的具体电路
图4-6基准电压源模块电路设计图
其中b0--b5控制与其并联的电阻串入电路或被短接掉，以此来达到控制接入电阻值的目的。
而且，为了减少trim电路的控制信号，我们在电路中加入3-8译码器，利用不同的编码来改变串入电阻的数量，从而达到少量编码控制多个串入电阻。
下表是我们进行电路仿真时，采用的控制参数：
state
resistor
b0
b1
b2
b3
b4
A
B
C
3R
1
1
1
1
1
1
1
0
SS
2.5R
1
1
1
1
0
1
0
1
2R
1
1
1
0
0
1
0
0
TT
1.5R
1
1
0
0
0
0
1
1
FF
R
1
0
0
0
0
0
1
0
0.5R
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Default
1.5R
1
1
0
0
1
1
1
1
3.2电源电压预处理模块的设计实现
电源电压预处理模块的主要作用就是实时监控电源电压的变化，它能将变化的电源电压转化成可以和参考电压进行比对的电压值，并与参考电压同时送到比较器中进行比较。
作为电路系统的输入模块，电源电压采样模块的采样精度直接决定了电压监测的精度和动态范围。
本模块的设计利用电压基准源产生的电压与芯片的电源电压做运算，从而得到一个与电源电压成一定线性关系的采样值。
如下图所示，Vcph=Vband*（1+R2/R1）-VCC*（R2/R1）
图4-7电源电压预处理模块结构图
图4-8电源电压预处理模块电路图
其中VCC为芯片的电源电压，Vband为基准电压生成模块产生的基准电压，而Vcph则为生成的采样电压。
由于基准源生成的电压并不能完全与温度无关，如果采样电压只与电源电压成线性关系，那么随着报警阈值不断变化（因温度变化而变化），使检测的精度大大降低。
因此，为保证检测的精度，我们将电源电压与基准电压做运算，而后生成的采样值与设定的阈值电压具有相同的温度变化，以实现较高精度的电压检测功能。
但是如何确定相关参数使采样电压与阈值电压具有同样的温漂系数呢？
由于阈值电压Vth是基准源模块生成的电压Vband通过电阻分压得到的，所以它与Vband成线性关系，有Vth=K*Vband。
而又有Vcph=Vband*（1+R2/R1）-VCC*（R2/R1），若K=1+R2/R1,则Vcph与Vth具有相同的温漂系数。
对于高、低电源电压检测电路，都可以通过这样的方式来实现电路设计。
3.3滞回比较器模块的设计实现
在异常电压检测电路中，当芯片的工作电压超出设定的阈值电压时，则输出信号会发生反转，因此这就需要一个比较器来完成该功能。
但是此次设计的电压检测电路对比较精度和滞回值的指标要求较高，所以比较器必须具有高精度与高速度。
设计的滞回比较器我们采用级联的前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器实现，具体结构图与电路图如下所示：
图4-9滞回比较器模块结构图
图4-10滞回比较器模块电路图
其中，前置放大器的主要作用是对输入信号进行预放大，锁存器又称为可再生比较器，它是用正反馈来实现两个信号的比较，而自偏置放大器对处理后的差分信号进一步放大，最后的结果通过反相器（输出缓冲器）来输出。
前置放大器采用差分输入的结构，从而可以得到较强的共模抑制能力，并且对称的电路设计结构，有利于提高器件的几何匹配，降低器件失配所产生的失调。
因为我们还要充分考虑比较器的响应速度，这里大大降低了前置放大器的增益。
信号经过前置放大器被放大，然后通过电流镜结构输入到锁存器，从而使锁存器的两个输出电压值一个变高一个变低。
两路电压值输入到自偏置放大器，经过放大器处理的信号最后通过一个反相器得到输出。
由于自偏置放大器工作在0和1两种状态，可以进一步提高放大器的增益和速度，并且自偏置放大器在两个状态的工作电流都近似为零，可以有效的节约功耗，以实现低功耗的目标。
闩锁结构中两对MOS管的宽长比如果不一致，那么它们的触发翻转电平将有一点偏差，通过此原理，我们可以实现滞回比较的功能，而此次设计中选用的滞回比较器就是通过调整这对MOS管宽长比的比例，然后经过内部反馈来实现。
3.4异常电压检测电路的整体设计
综上所述，电源电压检测的整体电路设计如图所示：
图4-8异常电压检测电路整体结构图
其中，带隙基准源生成的基准电压Vband一方面输入到电源电压预处理模块参与和芯片电压的相关线性运算，而另一方面则通过电阻的分压产生滞回比较器的低压阈值和高压阈值。
电源电压预处理模块将电源电压与来自基准源的基准电压进行线性运算，并将处理的采样电压Vcph输入到滞回比较器中，与高压阈值、低压阈值进行对比，最终输出检测结果。
此外，图中滞回比较器1负责比较电源高采样电压和设定的高阈值电压，滞回比较器2负责比较电源低采样电压和设定的低阈值电压，从而得到两路报警信号。
第四章异常电压检测电路仿真
我们此次对于检测电路的电路图设计工具是基于Linux系统下的Cadence软件，Cadence是一款大型的EDA软件，它几乎可以完成电子设计的方方面面，包括ASIC设计、FPGA设计和PCB板设计。
它与众所周知的EDA软件Synopsys相比，Cadence的综合工具虽然略为逊色，但它在仿真电路图设计、自动布局布线版图设计及验证等方面却有着绝对的优势。
4.1基准电压源模块的仿真
首先，我们先对我们设计的基准电压源进行模拟仿真，下图是基准电压源在不同工艺条件下的电压特性仿真结果。
TT工艺角下仿真结果
SS工艺角下仿真结果
FF工艺角下仿真结果
图5-5不同工艺角下基准源电压特性
从上图我们看到，当芯片的电源电压大于1.3V时，基准电压源正常工作，在不同工艺角的情况下，基准源的输出电压相差不超过2mv，电压的特性满足系统需求。
而后，我们又对没有采用trim电阻结构的基准电压源温度特性在不同工艺角下进行仿真，具体的仿真结果如下图所示：
（a）基准源在TT工艺条件温度特性曲线
（b）基准源在FF工艺条件温度特性曲线
（c）基准源在SS工艺条件温度特性曲线
图5-6不同工艺角下基准源温度特性
根据上面对于基准源温度特性的仿真图形，可以看出基于本设计的基准电压源（不采用trim电阻结构）具有良好的温度特性，并且在典型的工艺条件下，基准电压源的温漂小于20个ppm。
但是我们可以发现，随着工艺条件的变化，温度变化的曲线并不总是稳定平滑的，在FF工艺角的条件下，电压随温度变化开始发散，为了保证芯片稳定良好的温度特性，需要采用额外的trim调节机制来使电压温度曲线变化一致性良好。
下图是带有trim功能的基准电压源的输出电压随温度变化的仿真结果：
基准源在FF工艺条件温度特性曲线（trim结构）
基准源在SS工艺条件温度特性曲线（trim结构）
基准源在TT工艺条件温度特性曲线（trim结构）
图5-7不同工艺角下基准源温度特性（trim结构）
根据上图我们可以看出，由于不同工艺误差造成的基准电压源的偏差，都能通过trim机制调节串入电阻值的变化从而得到较好的温度变化曲线，使基准具有良好的效果。
我们还对基准电压源的启动时间进行了测试，测试结果如下图所示：
图5-8基准电压源启动时间测试结果
上面的基准源启动测试仿真图表明，本设计中的基准源可以在供电10us内进入稳定的工作状态，并且不会产生振荡，满足系统整体的工作要求。
下图为我们对基准电压源的电源抑制特性进行测试的仿真结果，从中可以看出，当电源纹波频率小于100K时，基准源的电源抑制比小于-60dB，从而可以有效地抑制电源纹波对电路造成的影响。
图5-9基准电压源电源抑制测试结果
4.2滞回比较器模块的仿真
对于比较
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