基于抗单粒子瞬态辐射效应的锁相环用压控振荡器延时单元

摘要

本发明公开了一种基于抗单粒子瞬态辐射效应的锁相环用压控振荡器延时单元，用于解决现有用于混合信号锁相环的抗辐射压控振荡器功耗大的技术问题。技术方案是包括MOS晶体管M0～M4构成的压控振荡器差分延时单元，还包括MOS晶体管M5～M8构成的检测电路，以及电压源V1和V2。所述的MOS晶体管M5、M6的栅极和漏极分别连接后接在差分延时单元的正向输出端Voutp，MOS晶体管M7、M8的栅极和漏极分别连接后接在差分延时单元的负向输出端Voutn，MOS晶体管M5和M7的源极连接到电压源V1，MOS晶体管M6和M8的源极连接到电压源V2。由于检测电路在延时单元正常工作时不工作，降低了功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种锁相环用压控振荡器延时单元，特别是涉及一种应基于抗单粒子 瞬态辐射效应的锁相环用压控振荡器延时单元。

背景技术

参照图1。文献“LovelessTD,MassengillLW,BhuvaBL,etal.Aprobabilistic analysistechniqueappliedtoaradiation-hardened-by-designvoltage-controlledoscillator formixed-signalphase-lockedloops.NuclearScience,IEEETransactionson,2008,55(6): 3447-3455”公开了一种用于混合信号锁相环的抗辐射压控振荡器。该电路主要采用了 三模冗余的思想实现压控振荡器的抗辐射性能。该电路采用了了三组并行的延时单元 链以及一个附加延时单元和判决电路组成。判决电路的输出信号反馈到三组延时单元 链的输入端，三组延时单元链可以独立振荡，并通过判决电路滤掉受辐射影响的信号， 选择正确的信号输出。该电路通过冗余的方法提高了压控振荡器的抗辐射能力，却增 加了压控振荡器的功耗，该电路的功耗是未进行加固设计前的3倍。

目前从电路设计上对锁相环中的压控振荡器的抗辐射加固设计主要采用的是多模 冗余的思想。该方法的主要问题在于功耗的增大、电路面积的增大。同时由于引入了 判决电路，增加了电路设计的复杂性。

发明内容

为了克服现有用于混合信号锁相环的抗辐射压控振荡器功耗大的不足，本发明提 供一种基于抗单粒子瞬态辐射效应的锁相环用压控振荡器延时单元。该电路包括MOS 晶体管M0～M4构成的压控振荡器差分延时单元，还包括MOS晶体管M5～M8构成的 检测电路，以及电压源V1和V2。所述的MOS晶体管M5、M6的栅极和漏极分别 连接后接在差分延时单元的正向输出端Voutp，MOS晶体管M7、M8的栅极和漏极 分别连接后接在差分延时单元的负向输出端Voutn，MOS晶体管M5和M7的源极连 接到电压源V1，MOS晶体管M6和M8的源极连接到电压源V2。由于检测电路在延 时单元正常工作时不工作，不会引入额外的功耗，同时检测电路增加的电路较少，可 以降低抗辐射加固电路所需的面积。同时检测电路可以检测延时单元输出节点在发生 单粒子瞬态辐射效应时的电压变化，电压源电路提供补偿电流，减小输出节点电压的 变化，形成负反馈，从而达到抗辐射的目的。检测电路还能够识别单粒子瞬态辐射效 应的发生，并控制补偿电流打开，减小了节点电压的变化幅度，增加了输出信号的稳 定度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于抗单粒子瞬态辐射效应 的锁相环用压控振荡器延时单元，包括MOS晶体管M0～M4构成的压控振荡器差分延 时单元，其特点是还包括MOS晶体管M5～M8构成的检测电路，以及电压源V1和 V2。所述的MOS晶体管M5、M6的栅极和漏极分别连接后接在差分延时单元的正 向输出端Voutp，MOS晶体管M7、M8的栅极和漏极分别连接后接在差分延时单元 的负向输出端Voutn，MOS晶体管M5和M7的源极连接到电压源V1，MOS晶体管 M6和M8的源极连接到电压源V2。

本发明的有益效果是：该电路包括MOS晶体管M0～M4构成的压控振荡器差分延 时单元，还包括MOS晶体管M5～M8构成的检测电路，以及电压源V1和V2。所述 的MOS晶体管M5、M6的栅极和漏极分别连接后接在差分延时单元的正向输出端 Voutp，MOS晶体管M7、M8的栅极和漏极分别连接后接在差分延时单元的负向输 出端Voutn，MOS晶体管M5和M7的源极连接到电压源V1，MOS晶体管M6和M8 的源极连接到电压源V2。由于检测电路在延时单元正常工作时不工作，不会引入额外 的功耗，同时检测电路增加的电路较少，可以降低抗辐射加固电路所需的面积。同时 检测电路可以检测延时单元输出节点在发生单粒子瞬态辐射效应时的电压变化，电压 源电路提供补偿电流，减小输出节点电压的变化，形成负反馈，从而达到抗辐射的目 的。检测电路还能够识别单粒子瞬态辐射效应的发生，并控制补偿电流打开，减小了 节点电压的变化幅度，增加了输出信号的稳定度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术用于混合信号锁相环的抗辐射压控振荡器的电路图。

图2是本发明基于抗单粒子瞬态辐射效应的锁相环用压控振荡器延时单元的电路图。

图3是本发明结构与未进行加固设计的结构单粒子瞬态辐射效应仿真结果比较。

具体实施方式

参照图2-3。本发明基于抗单粒子瞬态辐射效应的锁相环用压控振荡器延时单元 包括MOS晶体管M0～M4构成的压控振荡器差分延时单元，还包括MOS晶体管 M5～M8构成的检测电路，以及电压源V1和V2。所述的MOS晶体管M5、M6的栅 极和漏极分别连接后接在差分延时单元的正向输出端Voutp，MOS晶体管M7、M8 的栅极和漏极分别连接后接在差分延时单元的负向输出端Voutn，MOS晶体管M5和 M7的源极连接到电压源V1，MOS晶体管M6和M8的源极连接到电压源V2。

对于未进行加固设计的压控振荡器，当输出节点发生单粒子瞬态辐射效应时，此 时产生短时间(<1ns)的电源到该节点的脉冲电流。对单粒子瞬态电流建模公式为：

$i_{SET}=\frac{Q}{({\tau }_{\alpha }-{\tau }_{\beta })}(e^{-t/{\tau }_{\alpha }}-e^{-t/{\tau }_{\beta }})---\left(1\right)$

其中Q为粒子轰击时产生的电荷，τ_α、τ_β分别为PN结和粒子收集电荷的时常数。 Voutp节点电压变化ΔV由式(2)给出，C_Voutp为节点到地的等效电容。

$\Delta V=\frac{Q}{C_{Voutp}}---\left(2\right)$

Voutp节点电压恢复到原来电位所需的时间如式(3)，I为压控振荡器的放电电流。

$t=\frac{{\mathrm{\Delta VC}}_{Voutp}}{I}=\frac{Q}{I}---\left(3\right)$

最终单粒子瞬态辐射效应会导致压控振荡器的输出信号发生θ的相位偏移：

$\theta =2\pi \frac{t}{T}---\left(4\right)$

该相位偏移可会使锁相环中发生错误的信号，最终导致电路输出频率变化。

对于基于抗单粒子瞬态辐射效应的锁相环用压控振荡器延时单元，Voutp点电压摆 幅为V_MIN～V_MAX，设置电压源V1为V_MIN+V_THP，V_THP为PMOS晶体管阈值电压， V2为V_MAX-V_THN，V_THN为NMOS晶体管阈值电压，正常工作状态下MOS晶体管 M5～M8均为关闭状态。

当输出节点Voutp发生单粒子瞬态辐射效应时，Voutp节点电压发生ΔV的变化时， 当输出电压超出V_MIN～V_MAX时，PMOS晶体管M5打开，并提供灌入Voutp的电流， Voutp节点电压恢复到原来电位所需的时间为：

$t=\frac{{\mathrm{\Delta VC}}_{Voutp}}{I+I_1}=\frac{Q}{I+I_1}---\left(5\right)$

其中I仍为压控振荡器的放电电流(uA级)，I₁为M5管打开提供的电流(mA级)， I₁可以表示为：

$I_1=\frac{1}{2}{\mu }_n{c}_{ox}\frac{W}{L}{(V_{GS}-V_{TH})}^2---\left(6\right)$

与式(3)相比，可以减小恢复时间为原来的I/(I+I₁)倍，从而降低单粒子瞬态辐射效 应导致的相位偏移，提高抗辐射能力。

MOS晶体管M5～M8的加入会对电路输出节点的电容产生影响，所以其沟道长度 应该选用最小尺寸以减小对电路频率的影响。根据所需的电流I₁的值，即可确定MOS 晶体管M5～M8的宽长比。电压源V1与V2也需要具有能够提供该电流的负载能力。