一种带抗单粒子辐射电路的电荷泵及低通滤波器组件

摘要

本发明属于微电子芯片设计制造领域中一种用于电荷泵锁相环芯片的抗单粒子辐射的电荷泵及其低通滤波器组件。包括电荷泵及低通滤波器，以及设于电荷泵与低通滤波器之间含控制器和选择器的数控抑制电路；该数控抑制电路的设置可对单粒子辐射产生的电流干扰脉冲进行实时抑制处理；当不存在单粒子辐射时、整个CPPLL电路正常工作，当存在单粒子辐射时、此电路被控制为截止，以阻止辐射电流干扰脉冲对后一级电路的影响。从而具有电路结构简单、易于集成、功耗低、面积小、工作速度高，可有效改善锁相环电路整体输出抖动特性、提高其抗单粒子辐射的能力，且兼容性好等特点。本发明组件可使控制电压峰值下降80％左右、稳定时间缩短50％左右等特点。

权利要求

1.一种带抗单粒子辐射电路的电荷泵及低通滤波器组件，包括电荷泵及低通滤波器，其特征在于在电荷泵与低通滤波器之间还设有一包括由三个反相器与两个并联设置的传输门模块组成的控制器和选择器的数控抑制电路；控制器中：反相器INV1的输入端a与传输门模块TG1的反向控制端g及传输门模块TG2的正向控制端l共接、以接收鉴频鉴相器产生的相位超前信号，反相器INV1的输出端b则与传输门模块TG1的正向控制端h和传输门模块TG2的反向控制端k共接；反相器INV2的输入端c与传输门模块TG1的输入端口e共接、以接收鉴频鉴相器产生的相位滞后信号，而反相器INV2的输出端d则与传输门模块TG2的输入端口i连接；传输门模块TG1和TG2的输出端f、j及反相器INV3的输入端m与选择器的传输门模块TG3反向控制端q共接，而反相器INV3输出端n与选择器的传输门模块TG3正向控制端r连接；数控抑制电路通过控制器的两输入端口分别与电荷泵的相位超前信号的接入口及相位滞后信号的接入口连接，通过选择器的电流输入接口与电荷泵的电流输出端连接、并通过该选择器的输出接口与低通滤波器的输入端连接，而数控抑制电路中的控制器与选择器之间则通过两路开关信号线对应连接。

2.按权利要求1所述带抗单粒子辐射电路的电荷泵及低通滤波器组件，其特征在于所述选择器采用传输门模块，该传输门模块的正、反两控制端分别与控制器的反、正两信号的输出端连接，而传输门模块的输入端与电荷泵的电流输出端连接，该模块的输出端则与低通滤波器的输入端连接。

说明书

一种带抗单粒子辐射电路的电荷泵及低通滤波器组件

技术领域

[0001] 本发明属于微电子芯片设计制造技术领域，特别是一种用于电荷泵锁相环芯片的抗单粒子辐射的电荷泵及其低通滤波器组件。技术背景

[0002] 在微电子芯片设计中，锁相环技术是时钟电路的重要组成部分。其中，在锁相环电路的鉴频鉴相器与低通滤波器之间插入电荷泵组成电荷泵锁相环(Charge Pump Phase-LockedLoop简称CPPLL)，能够消除相位差，因而CPPLL得到了广泛的应用。随着空间技术的迅猛发展，微电子芯片以及在时钟电路设计中CPPLL技术也被成功应用于航天、宇航领域中。然而，受宇宙空间存在的各种辐射，如太阳风、太阳耀斑等因素的影响，对电荷泵锁相环的性能有着不同程度的影响。据国内外对航天故障的统计数据显示：40％以上的故障源是因来自太空辐射，使微电子芯片产生辐射电流所致，其中，因单粒子辐射导致的故障次数占因太空辐射所产生故障总数的55％左右。

[0003] 对此，为了抑制单粒子辐射产生的辐射电流对滤波器电压的影响，在申请号为200910043644.8、发明名称为《一种提高电荷泵抗辐射能力的低通滤波器》的专利文献中，公开了一种采用动态补偿电路对电荷泵输出控制电压进行动态补偿，即在电荷泵输出端与滤波器之间增设由一个感应电阻Rs、两个补偿放大器0P1和OP2、两个补偿管P1和N1(P型绝缘栅场效应晶体管和N型绝缘栅场效应晶体管)组成的补偿电路。该补偿电路的增设虽然缓解了单粒子辐射对电荷泵输出电压的影响，但延长了环路的恢复时间、增大了锁相环输出的时钟抖动、降低了时钟精度；同时由于该补偿电路结构复杂、集成难度较大、功耗大(放大器存在静态功耗)，而且占用芯片面积大(至少30个晶体管)；当集成芯片(的电路制造工艺)达到亚微米级别(0.25μm～0.8μm)，辐射电流的变化速度达到5GHz以上时，该技术则存在集成工艺要求高、电路带宽难以达到辐射电流变化的要求，其动态补偿效果极差等缺陷。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对技术背景技术存在的缺陷，改进设计一种带抗单粒子辐射电路的电荷泵及低通滤波器组件，其组件利用数模混合电路工作频率高等特点、采用数字电路对辐射产生的电流干扰脉冲进行实时抑制；以达到简化电路结构、增强电路抗辐射的能力、降低功耗、确保电路带宽要求，有效提高电荷泵及低通滤波器组件的性能、进而提高电荷泵锁相环的性能等目的。

[0005] 本发明的解决方案是在电荷泵输出端与低通滤波器之间采用数控抑制电路、以带替背景技术中的补偿电路，实现对单粒子辐射产生的电流干扰脉冲进行实时抑制处理，数控抑制电路包括控制器及选择器；控制器的两输入端口分别与电荷泵的相位超前信号(U)的接入口及相位滞后信号(D)的接入口连接、以接收控制信号，该控制器输出的两路开关信号则分别与选择器的两控制信号接入口连接、以控制选择器(电路)的开启或者关断；而选择器的电流输入接口则直接与电荷泵的电流输出端连接，该选择器的输出接口则与低通滤波器的输入端连接；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明电荷泵及低通滤波器组件包括电荷泵及低通滤波器，关键在于在电荷泵与低通滤波器之间还设有一包括控制器和选择器的数控抑制电路；该数控抑制电路通过控制器的两输入端口分别与电荷泵的相位超前信号(U)的接入口及相位滞后信号(D)的接入口连接，通过选择器的电流输入接口与电荷泵的电流输出端连接、并通过该选择器的输出接口与低通滤波器的输入端连接，而数控抑制电路中的控制器与选择器之间则通过两路开关信号线对应连接。

[0006] 所述控制器由三个反相器和两个传输门模块组成，两个传输门模块并联设置；其中：反相器INV1的输入端(a)与传输门模块TG1的反向控制端(g)及传输门模块TG2的正向控制端(1)共接、以接收鉴频鉴相器产生的相位超前信号，反相器INV1的输出端(b)则与传输门模块TG1的正向控制端(h)和传输门模块TG2的反向控制端(k)共接；反相器INV2的输入端(c)与传输门模块TG1的输入端口(e)共接、以接收鉴频鉴相器产生的相位滞后信号，而反相器INV2的输出端(d)则与传输门模块TG2的输入端口(i)连接；传输门模块TG1和TG2的输出端(f)、(j)及反相器INV3的输入端(m)与选择器的传输门模块TG3反向控制端(q)共接，而反相器INV3输出端(n)与选择器的传输门模块TG3正向控制端(r)连接。

[0007] 而所述选择器采用传输门模块，该传输门模块的正、反两控制端(r)、(q)分别与控制器的反、正两信号的输出端连接，而传输门模块的输入端(o)与电荷泵的电流输出端连接，该模块的输出端(p)则与低通滤波器的输入端连接。

[0008] 本发明由于在电荷泵输出端与低通滤波器之间采用包括控制器和选择器在内的数控抑制电路、实现对单粒子辐射产生的电流干扰脉冲进行实时抑制处理；当不存在单粒子辐射时，此电路(被控制为)正常导通，充电和放电电流匀可通过此电路运行，整个CPPLL电路正常工作；当存在单粒子辐射时，此电路被控制为截止(不导通)，以阻止辐射电流干扰脉冲对后一级电路的影响。本发明所采用的数控抑制电路结构简单、功耗低，占用芯片面积小(仅12个晶体管)，不仅能通过常规工艺集成，而且还能实现芯片的亚微米级集成，且不受电流变化速率的约束。因而，本发明具有电路结构简单、易于集成、功耗低、面积小、工作速度高，并可有效改善锁相环电路整体输出抖动特性、提高其抗单粒子辐射的能力，且兼容性好等特点。采用本发明电荷泵及低通滤波器组件其电压(峰值)可下降80％左右、稳定时间缩短50％左右。

附图说明

[0009] 图1为本发明电荷泵锁相环(CPPLL)电路结构示意图，其中：①为电荷泵及低通滤波器组件电路结构图，②为低通滤波器电路结构示意图；

[0010] 图2为本发明具体实施方式控制器及选择器电路结构示意图；

[0011] 图3为本发明具体实施方式与背景技术在100Mev单粒子辐射情况下输出的控制电压波形(曲线)对比示意图(坐标图)。

具体实施方式

[0012] 以用于与宇航串行处理芯片的电荷泵锁相环配套用抗单粒子辐射的电荷泵及其低通滤波器组件为例，其中基准输入频率为20MHz，分频比为50，电荷泵输出电流I_CP＝100μA；附图1为电荷泵锁相环(CPPLL)电路结构示意图，其中粗虚线框①为电荷泵及低通滤波器组件电路结构图；细虚线框②为低通滤波器电路结构示意图。

[0013] 本实施方式：电荷泵锁相环(CPPLL)电路中鉴频鉴相器、电荷泵及压控振荡器均与背景技术相同；低通滤波器②的电路结构与背景技术相同、其中各元件参数C1＝50pF，C2＝600pF，R2＝1KΩ；反相器INV1、INV2、INV3均采用一个PMOS和一个NMOS栅漏共接集成实现，传输门模块TG1、TG2、TG3均采用一个PMOS和一个NMOS源漏共接集成实现；上述反相器、传输门模块均采用smic013μm标准商用工艺线集成实现。

[0014] 本实施方式控制器中：反相器INV1的输入端(a)与传输门模块TG1的反向控制端(g)及传输门模块TG2的正向控制端(1)共接、以接收鉴频鉴相器产生的相位超前信号，反相器INV1的输出端(b)则与传输门模块TG1的正向控制端(h)和传输门模块TG2的反向控制端(k)共接；反相器INV2的输入端(c)与传输门模块TG1的输入端口(e)共接、以接收鉴频鉴相器产生的相位滞后信号，而反相器INV2的输出端(d)则与传输门模块TG2的输入端口(i)连接；本实施方式选择器：传输门模块TG3的输入端(o)与电荷泵的电流输出端连接，该模块的输出端(p)则与低通滤波器的输入端连接；数控抑制电路中的控制器与选择器之间的连接则通过传输门模块TG1和TG2的输出端(f)、(j)及反相器INV3的输入端(m)与选择器的传输门模块TG3反向控制端(q)共接，而反相器INV3输出端(n)与选择器的传输门模块TG3正向控制端(r)连接。

[0015] 工作时：当电路处于锁定状态时，鉴频鉴相器的输出端口U、D产生低电平，控制电荷泵进行截止状态，既不充电也不放电；此时U、D两路信号控制产生的US、DS信号分别为高和低状态，分别控制后续电路的关断状态，因而此时电路中没有电流流过，即使在此状态产生了单粒子辐射电流也不会对后续电路产生影响；由于锁定后电路一直处于该持续状态，故锁定后任何时刻发生了单粒子辐射，都不会对后续电路产生影响，则达到了抗单粒子辐射的目的；

[0016] 鉴频鉴相器输出信号控制上述模块工作在关闭状态时，当电荷泵中存在这单粒子辐射电流时，关断的传输管禁止任何电流通过，但是由于实际工艺中各MOS管的非理想效应，传输管存在着漏电流；但是其宽长比非常小，传输电阻比电荷泵的NMOS管的传输电路大很多，因而会有很小一部分电路分流进入后续滤波器。但是大部分辐射电流会通过电荷泵的NMOS管的漏电流而泄放掉，电流I_CP2则可按正常电流进入到后续低通滤波器模块，因而起到了对辐射产生的电流干扰脉冲进行实时抑制的目的。

[0017] 将本实施方式与背景技术置于100Mev相同单粒子辐射剂量、相同辐射位置下的粒子轰击模拟仿真对比试验，附图3即为所得控制电压波形曲线对比示意图(坐标图)，其中虚线为背景技术控制电压波形曲线，实线为本发明实施方式控制电压波形曲线；从图中对比可见：本发明实施方式所得控制电压峰值为5mv、而背景技术控制电压峰为26mv，即本发明实施方式的电压峰值较背景技术下降了80％；本发明实施方式稳定时间为0.5μs左右、而背景技术稳定时间为1μs左右，即本发明实施方式的稳定时间较背景技术缩短50％左右。