本發(fā)明涉及鎖相環(huán)(PLL)電路，尤其是一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

電子器件在太空中工作時(shí)，會(huì)受到高能質(zhì)子、高能中子及宇宙重離子的轟擊。撞擊本身，以及撞擊產(chǎn)生的次級(jí)粒子，都會(huì)在體硅上電離電子空穴對(duì)；當(dāng)電離積累的電荷數(shù)量達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，會(huì)對(duì)電路狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)。如：存儲(chǔ)類單元的位翻轉(zhuǎn)、組合邏輯中的瞬態(tài)脈沖等，這些效應(yīng)常被稱為單粒子效應(yīng)。

在大尺寸工藝條件下，單粒子效應(yīng)對(duì)電路的影響主要表現(xiàn)為單粒子翻轉(zhuǎn)，主要影響帶存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的電路。而對(duì)于小尺寸而言，電路不但會(huì)受到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，同樣也會(huì)受到單粒子瞬態(tài)擾動(dòng)效應(yīng)的影響。上述兩種效應(yīng)對(duì)電子器件在空間中應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生了巨大的威脅。

國(guó)際上已經(jīng)展開(kāi)了很多有關(guān)單粒子效應(yīng)加固設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)研究。進(jìn)入深亞微米工藝之后，如何在不多占用系統(tǒng)功耗和面積條件下，提高器件抗單粒子效應(yīng)的能力，一直是大家關(guān)注的重點(diǎn)。

隨著電路集成度的不斷提高，鎖相環(huán)(Phase-Locked-Loop，PLL)已經(jīng)成為電路中不可或缺的模塊。在宇航應(yīng)用時(shí)，單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)擾動(dòng)會(huì)使PLL電路失鎖，影響整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如圖1所示，為非加固自偏置PLL電路結(jié)構(gòu)圖。自偏置PLL是利用反饋偏置產(chǎn)生一個(gè)跨導(dǎo)來(lái)形成零點(diǎn)與壓控振蕩器的等效跨導(dǎo)相消，從而得到一個(gè)自然頻率、阻尼系數(shù)與工藝、電源、溫度無(wú)關(guān)，與倍頻因子N成弱相關(guān)的鎖相環(huán)。自偏置PLL電路由鑒頻鑒相器(PFD)1、第一電荷泵(CP1)2、第二電荷泵(CP2)3、自偏置產(chǎn)生電路(Bias Gen)41、壓控振蕩器(VCO)5、第一電容C1和第二電容C2組成。其中CLKIN為輸入?yún)⒖茧娖?，PLL輸出信號(hào)通過(guò)鑒頻鑒相器1與CLKIN信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的比較，輸出U1/D1、U2/D2信號(hào)給第一電荷泵2和第二電荷泵3，兩組電荷泵的輸出經(jīng)過(guò)第一電容C1和第二電容C2，向自偏置產(chǎn)生電路41輸入VBIAS偏置信號(hào)。自偏置產(chǎn)生電路41產(chǎn)生VBACK信號(hào)反饋給第一電荷泵2和第二電荷泵3，用于控制第一電荷泵2和第二電荷泵3的充放電。同時(shí)，自偏置產(chǎn)生電路41產(chǎn)生VBP、VBN信號(hào)至壓控振蕩器5。壓控振蕩器5由第一至第五延時(shí)單元和放大器組成，放大器將第五延時(shí)單元輸出的小信號(hào)放大后，形成最終的PLL輸出。

如圖2所示，為非加固自偏置PLL電路的壓控振蕩器5內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖。壓控振蕩器5由第一延時(shí)單元51、第二延時(shí)單元52、第三延時(shí)單元53、第四延時(shí)單元54、第五延時(shí)單元55及放大器56組成。第一延時(shí)單元51輸入VIP1接第五延時(shí)單元55的輸出VOP5，VIN1接第五延時(shí)單元55的輸出VON5。第二延時(shí)單元52輸入VIP2接第一延時(shí)單元51的輸出VOP1，VIN2接第一延時(shí)單元51的輸出VON1。第三延時(shí)單元53輸入VIP3接第二延時(shí)單元52的輸出VOP2，VIN3接第二延時(shí)單元52的輸出VON2。第四延時(shí)單元54輸入VIP4接第三延時(shí)單元53的輸出VOP3，VIN4接第三延時(shí)單元53的輸出VON3。第五延時(shí)單元55輸入VIP5接第四延時(shí)單元54的輸出VOP4，VIN5接第四延時(shí)單元54的輸出VON4。第五延時(shí)單元55的輸出VOP5和VON5信號(hào)作為放大器56輸入的差分輸入信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，最終形成PLL輸出。

如圖3-5所示，為非加固自偏置PLL中VBACK信號(hào)和VBN、VBP信號(hào)單粒子效應(yīng)分析圖。如圖3，當(dāng)VBACK信號(hào)受到單粒子效應(yīng)影響后，PLL輸出與CLKIN相比丟失了兩個(gè)脈沖信號(hào)，說(shuō)明VBACK信號(hào)對(duì)單粒子效應(yīng)敏感。如圖4，當(dāng)VBN信號(hào)受到單粒子效應(yīng)影響后，PLL輸出與CLKIN相比丟失了一個(gè)脈沖信號(hào)，也說(shuō)明VBN信號(hào)對(duì)單粒子效應(yīng)敏感。如圖5，當(dāng)VBP信號(hào)受到單粒子效應(yīng)影響后，PLL輸出與CLKIN相比有一個(gè)脈沖信號(hào)的占空比變得非常惡劣，幾乎不能被電路使用，同樣說(shuō)明VBP信號(hào)對(duì)單粒子效應(yīng)也十分敏感。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是在宇航環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，自偏置PLL受到單粒子效應(yīng)影響，使得電路性能惡化、失鎖，提供一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有更好的抗單粒子效應(yīng)能力，并能夠滿足宇航應(yīng)用的需求。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)，該自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)是通過(guò)判別非加固自偏置PLL中單粒子效應(yīng)對(duì)V_BACK信號(hào)的影響，對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的自偏置產(chǎn)生電路進(jìn)行加固，得到能夠抗單粒子效應(yīng)的V_BACKR信號(hào)；并將第一壓控振蕩器輸出的小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，再通過(guò)表決器表決，輸出穩(wěn)定的PLL輸出信號(hào)。

進(jìn)一步地，自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)包括鑒頻鑒相器、第一電荷泵、第二電荷泵、第一自偏置產(chǎn)生電路、第二自偏置產(chǎn)生電路、第三自偏置產(chǎn)生電路、第一壓控振蕩器、第一電容C1和第二電容C2，通過(guò)判別非加固自偏置PLL中單粒子效應(yīng)對(duì)V_BACK信號(hào)的影響，選擇合適的自偏置PLL電路輸出電流，采用第一、第二、第三自偏置產(chǎn)生電路，使反饋的V_BACKR電壓在單粒子輻射環(huán)境中保持穩(wěn)定，使第一電荷泵和第二電荷泵對(duì)第一電容C1和第二電容C2的充放電能力保持穩(wěn)定，使第一、第二、第三自偏置產(chǎn)生電路的輸出信號(hào)V_BNR和V_BPR保持穩(wěn)定，從而使第一壓控振蕩器輸入偏置保持穩(wěn)定。

進(jìn)一步地，第一壓控振蕩器包括第一延時(shí)單元、第二延時(shí)單元、第三延時(shí)單元、第四延時(shí)單元、第五延時(shí)單元、第一放大器、第二放大器、第三放大器和表決器，對(duì)第五延時(shí)單元輸出的信號(hào)VOP5和VON5通過(guò)第一、第二、第三放大器進(jìn)行放大，輸出三路放大后的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)表決器表決，輸出最終的PLL輸出信號(hào)。

本發(fā)明的有益效果：

1、與非加固自偏置PLL相比，該自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)提升了電路在宇航環(huán)境中工作的可靠性，保證了自偏置PLL電路在受到單粒子效應(yīng)影響時(shí)不會(huì)發(fā)生失鎖。

2、該自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)通過(guò)找出電路中對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的節(jié)點(diǎn)，并判別單粒子效應(yīng)對(duì)V_BACK信號(hào)的影響，進(jìn)而選擇合適的自偏置PLL電路輸出電流；同時(shí)對(duì)第一壓控振蕩器輸出小信號(hào)放大后進(jìn)行三路表決；與全局三模冗余加固設(shè)計(jì)的PLL相比，采用了更小的面積和功耗，且達(dá)到了相同的加固效果。

附圖說(shuō)明

圖1為非加固自偏置PLL電路結(jié)構(gòu)圖；

圖2為非加固自偏置PLL電路的壓控振蕩器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為非加固自偏置PLL中VBACK信號(hào)單粒子效應(yīng)分析圖；

圖4為非加固自偏置PLL中VBN信號(hào)單粒子效應(yīng)分析圖；

圖5為非加固自偏置PLL中VBP信號(hào)單粒子效應(yīng)分析圖；

圖6為本發(fā)明一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)圖；

圖7為本發(fā)明一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)的第一壓控振蕩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所列舉的實(shí)施例，只是用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明思想的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)的范圍內(nèi)。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖6所示，為本發(fā)明一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)圖；該自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)包括鑒頻鑒相器1、第一電荷泵2、第二電荷泵3、第一自偏置產(chǎn)生電路42、第二自偏置產(chǎn)生電路43、第三自偏置產(chǎn)生電路44、第一壓控振蕩器6、第一電容C1和第二電容C2。其中CLKIN為輸入?yún)⒖茧娖?，PLL輸出信號(hào)通過(guò)鑒頻鑒相器1與CLKIN信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的比較，輸出U1/D1、U2/D2信號(hào)給第一電荷泵2和第二電荷泵3，兩組電荷泵的輸出經(jīng)過(guò)第一電容C1和第二電容C2，向第一自偏置產(chǎn)生電路42、第二自偏置產(chǎn)生電路43、第三自偏置產(chǎn)生電路44輸入VBIAS偏置信號(hào)。從而使第一自偏置產(chǎn)生電路42、第二自偏置產(chǎn)生電路43、第三自偏置產(chǎn)生電路44產(chǎn)生不容易受單粒子效應(yīng)擾動(dòng)的VBACKR信號(hào)反饋給第一電荷泵2和第二電荷泵3，用于控制第一電荷泵2和第二電荷泵3的充放電。同時(shí)，第一自偏置產(chǎn)生電路42、第二自偏置產(chǎn)生電路43、第三自偏置產(chǎn)生電路44產(chǎn)生VBNR、VBPR信號(hào)至第一壓控振蕩器6。第一壓控振蕩器6包括第一至第五延時(shí)單元51、52、53、54、55、第一至第三放大器61、62、63和表決器64，第一至第三放大器61、62、63將第五延時(shí)單元55輸出的小信號(hào)放大后，通過(guò)表決器64表決，形成最終的抗輻射自偏置PLL輸出。

如圖7所示，為本發(fā)明一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)的第一壓控振蕩器6內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；該第一壓控振蕩器6包括第一延時(shí)單元51、第二延時(shí)單元52、第三延時(shí)單元53、第四延時(shí)單元54、第五延時(shí)單元55及第一放大器61、第二放大器62、第三放大器63、表決器64。第一延時(shí)單元51輸入VIP1接第五延時(shí)單元55的輸出VOP5，VIN1接第五延時(shí)單元55的輸出VON5。第二延時(shí)單元52輸入VIP2接第一延時(shí)單元51的輸出VOP1，VIN2接第一延時(shí)單元51的輸出VON1。第三延時(shí)單元53輸入VIP3接第二延時(shí)單元52的輸出VOP2，VIN3接第二延時(shí)單元52的輸出VON2。第四延時(shí)單元54輸入VIP4接第三延時(shí)單元53的輸出VOP3，VIN4接第三延時(shí)單元53的輸出VON3。第五延時(shí)單元55輸入VIP5接第四延時(shí)單元54的輸出VOP4，VIN5接第四延時(shí)單元54的輸出VON4。第五延時(shí)單元55的輸出VOP5和VON5信號(hào)作為第一至第三放大器61、62、63輸入的差分輸入信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，輸出各自的波形，在經(jīng)過(guò)表決器64表決，形成最終的抗輻射自偏置PLL輸出。

本發(fā)明的工作原理：

本發(fā)明利用通過(guò)判別非加固自偏置PLL中單粒子效應(yīng)對(duì)VBACK信號(hào)的影響，進(jìn)而選擇合適的自偏置PLL電路輸出電流，利用第一、第二、第三自偏置產(chǎn)生電路42、43、44，使反饋的VBACKR電壓在單粒子輻射環(huán)境中保持穩(wěn)定，進(jìn)而穩(wěn)定了第一電荷泵2和第二電荷泵3對(duì)第一電容C1和第二C2的充放電能力，使第一、第二、第三自偏置產(chǎn)生電路42、43、44的輸出信號(hào)VBNR和VBPR保持穩(wěn)定，從而使第一壓控振蕩器6輸入偏置保持穩(wěn)定。同時(shí)，采用第一、第二、第三自偏置產(chǎn)生電路42、43、44結(jié)構(gòu)，避免了單粒子效應(yīng)對(duì)單個(gè)自偏置產(chǎn)生電路的影響波及整個(gè)PLL系統(tǒng)的穩(wěn)定。

同時(shí)，對(duì)第一壓控振蕩器6輸出的小信號(hào)進(jìn)行放大后表決，對(duì)第五延時(shí)單元55輸出的信號(hào)VOP5和VON5通過(guò)第一、第二、第三放大器61、62、63進(jìn)行放大，輸出三路放大后的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)表決器64表決，輸出最終的PLL輸出信號(hào)，從而避免了單個(gè)放大器輸出不穩(wěn)定對(duì)PLL造成的影響。

本發(fā)明利用單粒子輻射仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種抗單粒子輻射的自偏置PLL加固結(jié)構(gòu)。與非加固自偏置PLL相比，該結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)電路的輻射加固設(shè)計(jì)，從而具有更好的抗單粒子效應(yīng)能力，并能夠滿足宇航應(yīng)用的需求。本發(fā)明通過(guò)判別非加固自偏置PLL中單粒子效應(yīng)對(duì)VBACK信號(hào)的影響，從而對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的自偏置產(chǎn)生電路進(jìn)行加固，得到能夠抗單粒子效應(yīng)的VBACKR信號(hào)。同時(shí)，對(duì)第一壓控振蕩器6輸出的小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后，再通過(guò)表決器進(jìn)行表決，確保輸出信號(hào)的穩(wěn)定，從而提高自偏置PLL抗單粒子效應(yīng)的能力，保證在輻射環(huán)境中自偏置PLL不失鎖。