阅读说明：本技术 一种抗单粒子瞬态效应的电荷泵加固电路 (Charge pump reinforcing circuit resisting single-particle transient effect ) 是由 阳至瞻 谢小东 于 2018-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种抗单粒子瞬变效应的加固电荷泵结构,目的是增加锁相环中电荷泵抗单粒子瞬变效应的能力。本发明由电荷泵以及控制电路、补偿电路和选择电路共同构成。其中,控制电路的四个输入信号分别为鉴频鉴相器的输出信号UP、UPbar、DN、DNbar,其电路结构由差分串联电压开关逻辑构成的异或-同或门组成；补偿电路由一个PMOS,两个传输门和一个NMOS构成；选择电路由一个传输门构成。当锁相环处于未锁定状态时,控制电路控制补偿电路关闭同时选择电路开启,使锁相环处于正常工作状态,而当锁相环锁定时,控制电路控制补偿电路开启同时选择电路关闭,用以阻止由单粒子轰击电荷泵敏感结点而产生的瞬变电流对低通滤波器造成影响。整个电路结构简单,可用于不同商用工艺线,可以使得受单粒子影响的控制电压扰动下降94.7％,整个系统的恢复时间加快67.2％。(The invention provides a reinforced charge pump structure for resisting a single-event transient effect, and aims to increase the single-event transient effect resistance of a charge pump in a phase-locked loop. The invention is composed of a charge pump, a control circuit, a compensation circuit and a selection circuit. The four input signals of the control circuit are output signals UP, UPbar, DN and DNbar of the phase frequency detector respectively, and the circuit structure of the control circuit consists of an exclusive or-exclusive OR gate formed by differential series voltage switch logics; the compensation circuit consists of a PMOS, two transmission gates and an NMOS; the selection circuit is formed by a transmission gate. When the phase-locked loop is in an unlocked state, the control circuit controls the compensation circuit to be closed and the selection circuit to be opened at the same time, so that the phase-locked loop is in a normal working state, and when the phase-locked loop is locked, the control circuit controls the compensation circuit to be opened and the selection circuit to be closed at the same time, so as to prevent transient current generated by single particles bombarding sensitive nodes of the charge pump from influencing the low-pass filter. The whole circuit is simple in structure, can be used for different commercial process lines, can reduce the control voltage disturbance influenced by single particles by 94.7%, and can accelerate the recovery time of the whole system by 67.2%.)

一种抗单粒子瞬态效应的电荷泵加固电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域、电路的抗辐照加固领域，特别涉及一种抗单粒子瞬态效应电荷泵加固电路。

背景技术

航天、航空、核能等应用的飞速发展，需要越来越多的电子系统工作在辐射环境中。辐射效应，尤其是单粒子效应(Single-event effect，SEE)，是导致辐射环境中电子系统失效的主要原因。随着晶体管特征尺寸的不断缩减，SEE的影响逐渐波及到地面应用，成为地面电子系统的最主要失效机制。对于先进微处理器来说，SEE失效率甚至高于包括栅氧击穿和电迁移在内所有其它失效机制的总失效率。因此，SEE成为空间、军用和商用电子系统共同面对的可靠性问题。单粒子瞬态脉冲效应(Single-event transient，SET)是一种常见的SEE效应，自从被确认为多次航天器故障的基本失效原因之后，SET引起了研究人员的广泛重视，并被预测为新一代电路和系统抗辐射加固的主要障碍。

与数字电路相比，模拟电路对SET更为敏感，产生的响应更为复杂，也更难于加固。锁相环(Phase-locked loop，PLL)是研究先进工艺高性能模拟和数模混合电路中SET效应的理想对象。作为电子系统的关键部件，PLL广泛应用于无线收发器、频率综合器和片上时钟电路。PLL对SET较为敏感，且在SET作用下容易失效而对系统造成严重影响。重离子、激光试验和计算机模拟结果表明，SET效应会导致PLL输出时钟信号失真，产生相位或频率偏差，甚至终止振荡。严重时，PLL可因无法跟随参考时钟而偏离稳定状态，导致PLL失锁。

电荷泵(Charge pump，CP)的主要功能是将表示PLL相位偏差的电压脉冲转为电流信号，并向(从)环路滤波器注入(吸收)电荷以调整压控振荡器(Voltage-controlledoscillator，VCO)控制电压，改变PLL频率以减小相位偏差。因此，电荷泵是连接PFD、低通滤波器和VCO三个部件的中枢。轰击到CP输出结点的高能粒子可能导致压控振荡器的控制电压产生大幅波动，严重干扰PLL输出，驱使PLL偏离锁定状态。尽管在环路反馈作用之下，PLL最终能够恢复，但可能花费数毫秒的时间，造成互连网络通信中断或微处理器功能中断。CP是PLL中对SET最为敏感的部件之一。激光试验证明，CP中SET导致的PLL输出时钟出现的错误脉冲数相比于其它部件至少大一个量级。因此，CP被公认为辐射应用中PLL的关键部件，是应该首先展开分析并进行加固的部件。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗单粒子瞬态效应电荷泵加固电路。其组件利用数字电路对电荷泵输入输出电流进行控制和补偿，最大限度抑制受单粒子效应影响产生的电流脉冲进入低通滤波器中，从而达到增强电路抗辐射能力进而提高锁相环性能的目的。

本发明解决上述问题的技术方案是：如图2所示，虚线框内为本发明提出的电路结构，方式为在电荷泵输出端与低通滤波器之间加入控制电路、补偿电路与选择电路，用以降低单粒子辐射产生的电流脉冲对系统的干扰。控制电路的四个输入端口分别与鉴频鉴相器的四个输出信号UP、UP_bar、DN、DN_bar相连，用来接受控制信号。该控制电路的两路输出信号分别与补偿电路的控制开关以及选择电路的开关相连，用以控制补偿电路对电荷泵充放电电流的补偿以及控制选择电路的开启或者关断；补偿电路的输出端口与电荷泵电流输出端口相连；选择电路输入端口直接与电荷泵电流输出端口相连，而其输出端口则知己与低通滤波器输入端口相连。本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明电荷泵组件包括电荷泵以及低通滤波器，关键在于电荷泵与低通滤波器之间多设有控制电路、补偿电路以及选择电路组成的数控抑制电路；该数控抑制电路的四个输入端口分别与鉴频鉴相器的四个输出端口UP、UPbar、DN、DNbar相连，补偿电路和选择电路的两个控制端口均与控制电路的两个输出端口连接，补偿电路输出端口与控制电路输入端口均与电荷泵电流输出端口连接，而控制电路输出端口直接与低通滤波器输入端口相连。

所述控制电路采用差分串联电压开关逻辑(Differential cascode voltageswitch logic,DCVSL)构成的异或-同或门组成，如图3所示：共由2个P沟道场效应晶体管(即第一PMOS管，第二PMOS管)和6个N沟道场效应晶体管(即第一NMOS管，第二NMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第五NMOS管，第六NMOS管)组成。其中，第一PMOS管和第二PMOS管源极均接电源；第二PMOS管的栅极与第一PMOS管的漏极相连作为第一输出端OUT；第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的漏极相连作为第二输出端OUTbar；第一NMOS管和第四NMOS管漏极均与第一PMOS管漏极相连；第二NMOS管与第三NMOS管漏极均与第二PMOS管漏极相连；第一NMOS管与第二NMOS管源极均与第五NMOS管漏极相连；第三和第四NMOS管源极均与第六NMOS关漏极相连；第五和第六NMOS管源极均与地连接。输入端UP与第一、第三NMOS管的栅极连接；输入端UPbar与第二、第四NMOS管栅极连接；输入端DN与第五NMOS管栅极连接；输入端DNbar与第六NMOS管栅极连接。

所述补偿电路与选择电路采用3个传输门(即T1，T2，T3)、一个P沟道场效应晶体管(即P1)与一个N沟道场效应晶体管构成(即N1)，如图4所示。其中，P1源极连接至电源；P1栅极与传输门T1的a端口、传输门T3的e端口以及传输门T2的j端口相连，用以接受控制电路产生的第一输出信号OUT；P1漏极接传输门T1的端口c。N1源极接地电位，栅极接传输门T1的b端口、传输门T3的f端口以及传输门T2的i端口，用以接受控制电路产生的第二输出信号OUTbar；N1漏极接传输门T3的h端口。传输门T1的d端口与传输门T2的k端口以及传输门T3的g端口相连，且同时也与电荷泵的电流输出端连接。传输门T2的l端口连接至低通滤波器的输入端口。

本发明抗单粒子瞬变的电荷泵电路工作过程如下:

锁相环处于未锁定状态时鉴频鉴相器的输出信号UP与DN有且仅有一个为高电平，即(UP,DN)仅有(1,0)与(0,1)两种情况，所以当鉴频鉴相器器输出信号传递到控制电路时，控制电路的输出信号OUT一定为高电平，则OUTbar一定为低电平。此时补偿电路的P沟道场效应晶体管，N沟道场效应晶体管以及传输门T1与传输门T3全部处于关闭状态，而选择电路中的传输门T2处于导通状态，所以电荷泵的输出电流可以顺利进入低通滤波器当中，整个系统可以正常运行；当锁相环处于锁定状态时鉴频鉴相器的输出信号UP与DN同时为低电平，即(UP,DN)为(0,0)，所以此时控制电路的输出信号OUT为低电平，而OUTbar为高电平。此时此时补偿电路的P沟道场效应晶体管，N沟道场效应晶体管以及传输门T1与传输门T3全部处于导通状态，而选择电路中的传输门T2处于关闭状态。因此此时电荷泵产生的电流无法传递到低通滤波器中使低通滤波器上的电压发生变化。

本发明的有益效果在于：

当锁相环处于未锁定状态时，控制电路一直处于导通状态，整个锁相环不会受到新加入的选择电路、控制电路与补偿电路带来的影响，整个电路正常工作；当锁相环处于稳定状态，选择电路使得补偿电路开启同时使控制电路关闭，从而切断电荷泵与低通滤波器的通路，保障电荷泵模块受到的扰动不会影响低通滤波器的工作。即使单粒子作用于电荷泵中的敏感结点导致电荷泵产生异常充放电电流，由于补偿电路的存在，此电流会大幅衰减，又由于选择电路的关闭，异常充放电电流并不会进入低通滤波器中使得后续电路的状态发生变化。则电路达到了抗单粒子效应的目的。本发明优点在于所加入的选择电路、补偿电路以及控制电路结构简单，可以用于任何商用工艺线中，且其不会改变锁相环的环路参数，具有实用性，和重复利用性。

附图说明

图1为本发明用于说明普通电荷泵锁相环的电路结构示意图

图2为本发明用于说明一种抗单粒子瞬态效应的电荷泵加固电路的电路结构示意图。

图3为本发明用于说明差分串联电压开关逻辑构成的异或-同或门电路示意图。

图4为本发明用于说明补偿电路与控制电路的电路结构示意图。

图5为本发明

具体实施方式

在线性能量转移值为75Mev/cm²·mg单粒子入射情况下低通滤波器上电压波形对比示意图。

具体实施方式

为进一步阐明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明所用普通电荷泵锁相环的电路结构图，其中包括鉴频鉴相器(PFD)，电荷泵(CP)，低通滤波器(LPF)，压控振荡器(VCO)以及分频器(DIV)五个模块。具体工作方式为：PFD鉴别两个输入信号CLK_REF与CLK_FB的相位/频率差值，形成输出信号控制电荷泵进行充电或者放电；电荷泵充放电电流输入到低通滤波器当中改变低通滤波器上的电压Vc；Vc的改变会导致VCO输出频率的变化；VCO的输出经过DIV的分频后又形成PFD的一个输入信号，即CLK_FB，从而使整个系统形成一个闭环回路。其中，经过计算，低通滤波器的元件参数为：C1＝66pF，C2＝10pF，R1＝3.3kΩ；

本发明用于加固普通电荷泵锁相环的电荷泵结构为图2中虚线框内部分。其中，控制电路由差分串联电压开关逻辑构成的异或-同或门电路所构成，如图3所示，它共由2个P沟道场效应晶体管(即第一PMOS管，第二PMOS管)和6个N沟道场效应晶体管(即第一NMOS管，第二NMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第五NMOS管，第六NMOS管)组成。其中，第一PMOS管和第二PMOS管源极均接电源；第二PMOS管的栅极与第一PMOS管的漏极相连作为第一输出端OUT；第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的漏极相连作为第二输出端OUTbar；第一NMOS管和第四NMOS管漏极均与第一PMOS管漏极相连；第二NMOS管与第三NMOS管漏极均与第二PMOS管漏极相连；第一NMOS管与第二NMOS管源极均与第五NMOS管漏极相连；第三和第四NMOS管源极均与第六NMOS关漏极相连；第五和第六NMOS管源极均与地连接。输入端UP与第一、第三NMOS管的栅极连接；输入端UPbar与第二、第四NMOS管栅极连接；输入端DN与第五NMOS管栅极连接；输入端DNbar与第六NMOS管栅极连接。补偿电路与选择电路采用3个传输门(即T1，T2，T3)、一个P沟道场效应晶体管(即P1)与一个N沟道场效应晶体管构成(即N1)，如图4所示。其中，P1源极连接至电源；P1栅极与传输门T1的a端口、传输门T3的e端口以及传输门T2的j端口相连，用以接受控制电路产生的第一输出信号OUT；P1漏极接传输门T1的端口c。N1源极接地电位，栅极接传输门T1的b端口、传输门T3的f端口以及传输门T2的i端口，用以接受控制电路产生的第二输出信号OUTbar；N1漏极接传输门T3的h端口。传输门T1的d端口与传输门T2的k端口以及传输门T3的g端口相连，且同时也与电荷泵的电流输出端连接。传输门T2的l端口连接至低通滤波器的输入端口。

当锁相环处于稳定状态时，PFD的输出信号UP、UPbar、DN、DNbar分别为高电平、低电平、高电平、低电平，所以控制电路的输出信号OUT与OUTbar分别为低电平和高电平，则补偿电路的两个MOS晶体管P1、N1连同两个传输门T1与T3均处于导通状态，使得电荷泵产生的失配电流或者由单粒子轰击引起的电荷泵瞬变电流被快速补偿。同时，控制电路的输出信号也使得选择电路的传输门T2处于关闭状态，使得低通滤波器和电荷泵之间的通路断开，进一步减小了由单粒子轰击电荷泵产生的瞬变电流对低通滤波器的影响，从而减小了电压Vc所受到的扰动。

为了验证其有效性，将本发明与普通电荷泵锁相环用单粒子进行轰击仿真实验，并且粒子携带能量以及轰击位置完全一致，图5为所得低通滤波器上VCO控制电压Vc受到轰击前后的波形曲线(坐标图)，其中虚线为普通电荷泵锁相环的控制电压波动曲线，实线为本发明实施方式的控制电压波动曲线；对比可见，本发明受到轰击后产生的电压波动明显小于普通电荷泵锁相环，事实上，本发明所得Vc的最大波动值为2.6mV，而普通电荷泵锁相环受到轰击后产生的Vc最大波动值为49.5mV，即本发明实施方式使得控制电压波动值下降了94.7％。同时，经过测量，本发明实施方式受到轰击后系统再次稳定的时间为140ns，而普通电荷泵锁相环的稳定时间为348ns，所以本发明较普通结构稳定时间缩短了67.2％。