单粒子翻转会使锁存器、触发器等电路中的逻辑值发生瞬态变化,影响芯片的可靠性。而且随着摩尔定律的发展,单粒子翻转正变得越发严重。首先特征尺寸减小使电路节点电容和工作电压不断减少,导致电路临界电荷减小。临界电荷是反映电路节点逻辑值跳变难易的重要指标,临界电荷越小,芯片越容易发生单粒子翻转。其次特征尺寸减小使节点间的距离不断变小,这将使单个粒子同时影响多个节点,使已有的加固结构失效。单粒子多节点翻转中的双点以及三点翻转是小尺寸下抗辐射研究的重点,但是可以预测随着尺寸的进一步缩减,将出现更加复杂的情况。因此针对不同工艺设计出一种高可靠,适用于更小尺寸的结构是非常有必要的。本文主要工作和创新点如下:首先介绍了航天事业中遇到的各种辐射效应,着重分析了工艺缩减对单粒子效应的影响,指出目前单粒子多节点翻转已经成为抗辐射研究的重点。第二章开始对单粒子效应的产生环境、产生机理、分类、实验室环境下的仿真方法做了详细介绍。接着介绍了已有的加固方法,分析了它们的优缺点。最后介绍了本文提出的加固锁存器。本文首先提出了一种能够自恢复三个内部节点同时翻转的锁存器方案。该锁存器主要利用双输入反相器的阻塞功能,以24个双输入反相器形成四行六列的阵列结构,从而构建了多级过滤的容错机制。当电路任意3个内部状态节点发生翻转时,通过多层过滤将错误节点自动恢复到正确值。通过HSPICE仿真软件进行了功耗、延迟、PDP、PVT、泄漏电流、老化、加固能力等方面的仿真分析,结果表明与近些年类似的加固结构相比,该结构在性能上有很大优化。另外工艺、尺寸、辐射剂量等条件的变化,会使芯片中同时出现翻转的节点数目发生变化。针对这一问题,以原结构为基础还提出了一种可以容忍N节点翻转的加固锁存器设计框架,可以扩展或收缩以适用于各种辐射剂量以及各种工艺的环境中。在现行工艺尺寸下,单粒子双点翻转和单粒子四节点翻转也是电荷共享影响下需要重点考虑的方面。针对这两个问题,本文对该框架下的对应结构也进行了仿真分析,验证了它的加固性能,并与现存的具有相同功能的加固锁存器进行了比较。结构本身采用的双输入反相器在发生SEU时,可能会出现瞬态电流。为了改善这种情况,本文还在基础框架和加固功能没有改变的前提下,提出了两种更加健壮的替代电路。最后针对单粒子瞬态,还探讨了一种加固方法。