[发明专利]一种抗单粒子瞬态效应的电荷泵加固电路

说明书

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％。

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。