CN101674078B - 一种提高电荷泵抗辐射能力的低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对电荷泵(CP)辐射加固的滤波器，其包括基本的滤波器、对VC进行动态补偿的电路。其中基本的滤波器可以是任何电荷泵型锁相环中的滤波器。其中对VC进行动态补偿的电路中包括运放OP1、OP2，补偿管P1、N1，感应电阻R_S。R_S用于将单粒子瞬变(SET)电流转化为运放的输入电压，运放OP1用于检测NMOS管中的单粒子瞬变(SET)，并控制补偿管P1开启来进行补偿。运放OP2用于检测PMOS管中的单粒子瞬变(SET)，并控制补偿管N1开启来进行补偿。本发明是一种代价小、适用范围广、可以有效缓解锁相环中电荷泵的辐射影响、减小辐射后环路恢复锁定需要的时间，而且对原有的锁相环(PLL)环路参数与性能影响小。

Description

一种提高电荷泵抗辐射能力的低通滤波器

技术领域

本发明主要涉及到锁相环设计领域，特指一种提高电荷泵抗辐射能力的低通滤波器。 

背景技术

锁相环被广泛运用于不同的领域，典型应用为时钟产生、同步、倍频、减小抖动和偏斜、频率综合等。作为系统的核心部分，一旦锁相环发生混乱，将导致整个系统无法工作。单粒子瞬变(Single Event Transient，SET)现象是一种典型的辐射效应，由银河宇宙射线、太阳粒子事件、超铀材料自然衰变或外大气层核武器爆炸产生的高能粒子轰击电路敏感结点引发，轰击后粒子能量沉积导致碰撞电离，电离出的电荷在晶体管电场和浓度梯度的作用下被传输和收集，使结点电压或电流产生暂时性波动。由于工艺进步导致电源电压降低、结点电容减小、传输延迟减小、工作频率提高，使得单粒子瞬变(SET)对电路的影响更为严重。传统的锁相环(phase-locked loop，PLL)中存在多个敏感结点，受单粒子瞬变(SET)影响作用下可能导致异常。其中电荷泵(charge pump，CP)敏感性可能比其它部件大数个量级，电荷泵(CP)中的单粒子瞬变(SET)引起的错误脉冲数也比其它部件大数个量级。所以在抗辐射的PLL中必须对电荷泵(CP)进行加固。 

发明内容

本发明要解决的问题是：如何根据现有的锁相环技术，提供一种代价小，对环路参数、结构影响小，能有效缓解电荷泵(CP)中单粒子瞬变(SET)的影响的低通滤波器(low-passfilter，LPF)。 

当电荷泵中的敏感结点出现单粒子瞬变(SET)后，直接导致大量的电荷在滤波器中堆积，在压控振荡器(voltage controlled oscillater，VCO)的控制信号上产生幅度大、持续时间短的单粒子瞬变(SET)电流，导致控制电压(V_C)偏离锁定值。根据以上规律，本发明提出的解决方案为：一种对控制电压进行动态补偿的滤波器。其特征在于：它由基本的滤波器和动态补偿电路组成。动态补偿电路包括：运放OP1、OP2，补偿管N1、P1，感应电阻R_S。OP1、OP2的输入端存在固定的失调电压，其中正相输入端连接到电荷泵(CP)的输出端，反相输入端连接到压控振荡器(VCO)的控制电压V_C上，输出端控制补偿管的栅极。补偿管 N1、P1的漏极连接到电荷泵(CP)的输出端，N1的源端连接到地，P1的源端连接到电源。 

本发明的优点就在于： 

1、对称结构可以分别针对NMOS管与PMOS管中的单粒子瞬变(SET)进行响应。 

2、采用互补结构，对加固电路引入的敏感点同样可以有效缓解。 

3、对锁相环原有的结构和参数影响很小。 

4、适用范围广，对环路参数无特别要求，从而适应不同应用。 

5、改进滤波器后增强了滤波器效果，抑制了输出时钟抖动。 

附图说明

图1是本发明的框架结构示意图； 

图2是常规锁相环结构和常规环路滤波器示意图； 

图3是重构锁相环环路的结构图； 

图4是补偿模式下滤波器的简化结构。 

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。 

图1为本发明涉及的辐射加固锁相环的结构框图。辐射加固锁相环包括正常模式与补偿模式两种工作模式。当锁相环正常工作时，滤波器中的运放OP1、OP2由于存在固定的输入失调电压，其输出使补偿管处于截止状态，所以补偿电路不响应正常的电荷泵充放电电流，环路工作在正常模式下。当电荷泵(CP)中发生单粒子瞬变(SET)时，由单粒子瞬变(SET)产生的高幅度的电流脉冲将在感应电阻R_S上产生大幅度的压降，从而触发运放将补偿管打开对V_C进行补偿，这时锁相环处于补偿模式。补偿V_C变化的电路采用对称互补结构，有两点原因：对称的结构既可以补偿NMOS管的单粒子瞬变(SET)，也可以补偿PMOS的单粒子瞬变(SET)；对称结构还可以对补偿电路中的单粒子瞬变(SET)进行补偿，从而保证补偿电路中结点的单粒子瞬变(SET)敏感性不高于电荷泵的单粒子瞬变(SET)敏感性。 

工作原理： 

将锁相环(PLL)滤波器的输入端作为环路输入，输出端作为环路输出，重构锁相环(PLL)的环路如图3所示。推导其正常模式下的传输函数为： 

$H\left(s\right)=\frac{\frac{1}{C_1}s(R_P{C}_{1}s+1)}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_n\mathrm{\ζs}+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---\left(1\right)$

其中 

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{I_P{K}_{\mathrm{VCO}}}{2{\mathrm{\πC}}_1}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ζ}=\frac{R_P}{2}\sqrt{\frac{I_P{C}_1{K}_{\mathrm{VCO}}}{2\mathrm{\π}}}---\left(3\right)$

在补偿模式下，滤波器可简化为图4所示结构，其中R_C为补偿管的等效电阻。该滤波器的传输函数为： 

$F\left(s\right)=\frac{V_C\left(s\right)}{i\left(s\right)}=\frac{R_C(R_P{C}_{1}s+1)}{(R_C+R_S+R_P)C_{1}s+1}---\left(4\right)$

将滤波器的传输函数代入锁相环路后得到补偿模式下的环路传输函数为： 

$H\left(s\right)=\frac{R_{C}s(R_P{C}_{1}s+1)}{(R_C+R_S+R_P)C_1{s}^2+(1+R_C{R}_P\frac{I_P}{2\mathrm{\π}}{C}_1{K}_{\mathrm{VCO}})s+\frac{R_C{I}_P{K}_{\mathrm{VCO}}}{2\mathrm{\π}}}---\left(5\right)$

比较公式1和公式5的传输函数可知，补偿模式下的高频增益为正常模式下高频增益的R_C/(R_C+R_S+R_P)倍，通常在补偿模式下R_C非常小，而在不影响电荷泵正常工作的条件下R_S可以非常大，所以补偿模式下的高频增益得到了大幅度的降低，对输入信号进行大幅度的衰减，从而降低了单粒子瞬变(SET)的影响。 

Claims (1)

1.一种应用于锁相环中针对电荷泵(CP)辐射加固的滤波器，其特征在于：基本的滤波器、对压控振荡器(VCO)的控制电压V_C进行动态补偿的电路；基本的滤波器为任何电荷泵型锁相环(CPPLL)中的滤波器；对V_C进行动态补偿的电路包括：运放OP1和OP2，补偿管N1和P1，感应电阻R_S；感应电阻R_S连接在CP的输出端与基本的滤波器之间，运放OP1和OP2的输入端存在固定的失调电压，其中两个运放的正相输入端连接到CP的输出端，反相输入端连接到V_C上，输出端分别连接到补偿管N1和P1的栅极；补偿管N1和P1的漏极连接到CP的输出端，补偿管N1的源端连接到地，补偿管P1的源端连接到电源。

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