CN102983857B - 一种抗单粒子瞬态的锁相环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗单粒子瞬态的锁相环，包括鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器，压控振荡器和分频器，在电荷泵与滤波器之间设有单粒子抑制电路；单粒子抑制电路包括电荷泄放支路、衰减电阻和电荷补偿支路，衰减电阻一端接电荷泵的输出端，另一端接压控振荡器的输入端；当电荷泵的输出端电压降低，需要充电时，滤波器经单粒子抑制电路对电荷泵的输出端充电；当电荷泵的输出端电压升高，需要放电时，电荷泵的输出端经单粒子抑制电路对滤波器充电。在锁相环的电荷泵和滤波电路之间加入单粒子抑制电路，当电荷泵输出端受到单粒子轰击，进而对该点进行电荷泄放或者电荷补偿，从而减小对压控振荡器输入端造成的电压扰动。
Description
技术领域
本属于半导体集成电路技术领域，涉及一种抗单粒子瞬态的锁相环。
背景技术
随着集成电路在空间技术中的广泛应用，其抗单粒子瞬态的能力越来越受到关注，而作为时钟产生模块的锁相环，其输出时钟的正确与否直接决定了电子系统能否正常工作，因此，对于工作在辐射环境中的电子系统，锁相环的抗单粒子瞬态的能力成为一项关键技术指标。
目前，业界对锁相环抗单粒子瞬态特性开展了较为广泛的研究并取得了丰硕的研究成果。如文章“A hardened-by-design technique for RF digitalphase-locked loops”提出一种电压型电荷泵，该方法减小了系统失锁后的恢复时间，但是，由于该结构充放电电流随系统状态而变化，因此，系统稳定性较难保证。文章“A radiation-hardened-by-design technique for improvingsingle-event transient tolerance of charge pumps in PLLs”增加了一个电流补偿电路，该方法也是通过加快系统失锁后的恢复速度以减小系统的失锁状态时间，虽然系统稳定性得以保证，但是，该结构增加的两个运放带宽要求很大，较难实现，增加了系统功耗，同时增加的电路也引入了单粒子敏感结点。专利“Radiation Hardened Phase Locked Loop,US2007/0090880A1”提出一个可调节带宽的滤波器，其思想是通过一个锁定探测电路判断是否发生单粒子瞬态，以减小单粒子瞬态对压控振荡器控制电压带来的扰动。该方法实现较为困难，因为单粒子瞬态脉冲时间很短，几十皮秒到上百皮秒，而锁定探测电路的门延迟与单粒子脉冲时间接近，因此探测电路判断出单粒子发生后，系统已经失锁。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种抗单粒子瞬态的锁相环，减少或抑制单粒子轰击所造成的影响。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种抗单粒子瞬态的锁相环，包括鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器，压控振荡器和分频器，在电荷泵与滤波器之间设有单粒子抑制电路；
单粒子抑制电路包括电荷泄放支路、衰减电阻和电荷补偿支路，衰减电阻一端接电荷泵的输出端，另一端接压控振荡器的输入端；
当电荷泵的输出端电压降低，需要充电时，滤波器经单粒子抑制电路对电荷泵的输出端充电；
当电荷泵的输出端电压升高，需要放电时，电荷泵的输出端经单粒子抑制电路对滤波器充电。
所述输入参考信号和反馈信号为鉴频鉴相器的输入信号，鉴频鉴相器的第一输出信号和第二为输出信号，分别控制电荷泵的上拉开关和下拉开关；压控振荡器的输出端接分频器的输入端，分频器的输出端产生反馈信号，接频鉴相器的输入端后与输入参考信号进行相位比较。
所述电荷泵的上拉开关为PMOS，其漏极为电荷泵的输出端，其栅极由鉴频鉴相器的第一输出信号控制，其源极接电流源的一端，电流源的另一端接电源；下拉开关为NMOS，其漏极为电荷泵的输出端，其栅极由鉴频鉴相器的第二为输出信号控制，其源极接电流沉的一端，电流沉的另一端接地；
滤波器包括电阻，第一电容和第二电容，第一电容和第二电容的上极板连接压控振荡器的输入端，其下极板均接地，电阻设在第一电容的上极板与压控振荡器的输入端之间；第一电容的电容值大于第二电容的电容值，第二电容的电容值远大于电荷泵输出结端的寄生电容。
所述的单粒子抑制电路包括电荷泄放PMOS、衰减电阻和电荷补偿NMOS；电荷泄放PMOS的漏极接地，栅极接压控振荡器的输入端，源极接电荷泵的输出端；电荷补偿NMOS的漏极接电源，栅极接压控振荡器的输入端，源极接电荷泵的输出端。
流经电流源的充电电流与衰减电阻之积小于电荷泄放PMOS的阈值电压，流经电流沉的放电电流与衰减电阻之积小于电荷补偿NMOS的阈值电压；在正常工作条件下，电荷泄放PMOS和电荷补偿NMOS均处于截止状态。
压控振荡器输入电压范围为：
电流沉的过驱动电压+流经电流沉的放电电流×衰减电阻＜压控振荡器输入电压＜电荷泵电源电压－电流源的过驱动电压－流经电流源的充电电流×衰减电阻。
当单粒子射入下拉开关的漏端，导致电荷泵的输出端电压下降，电压降低的幅度小于电荷补偿NMOS的阈值电压时，第二电容通过衰减电阻向电荷泵的输出端充电。
当单粒子射入下拉开关的漏端，导致电荷泵的输出端电压下降，电压降低的幅度大于电荷补偿NMOS的阈值电压时，第二电容通过衰减电阻向电荷泵的输出端充电；同时，电荷泄放PMOS处于截止状态而电荷补偿NMOS导通，电荷泵的输出端所需要补偿的超过90%的电荷由电荷补偿NMOS来提供，从而减小了振荡器的输入端电压的变化。
当单粒子射入上拉开关的漏端，导致电荷泵的输出端电压升高后，电压升高的幅度小于电荷泄放PMOS的阈值电压时，电荷泵的输出端通过衰减电阻向第二电容充电。
当单粒子射入上拉开关的漏端，导致电荷泵的输出端电压升高后，电压升高的幅度大于电荷泄放PMOS的阈值电压时，电荷泵的输出端通过衰减电阻向第二电容充电；同时，电荷补偿NMOS处于截止状态而电荷泄放PMOS导通，电荷泵的输出端所需要泄放超过90%的电荷通过电荷泄放PMOS泄放，从而减小了振荡器的输入端电压的变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的抗单粒子瞬态的锁相环，在锁相环的电荷泵和滤波电路之间加入单粒子抑制电路，当电荷泵输出端受到单粒子轰击，该电路电荷泵输出结点进行电荷泄放或者电荷补偿，减少滤波器第二电容上电荷的变化量，从而减小对压控振荡器输入端造成的电压扰动。
本发明提供的抗单粒子瞬态的锁相环，在正常工作条件下，电荷泄放PMOS和电荷补偿NMOS均处于截止状态，对锁相环不产生任何影响；当单粒子射入电荷泵的输出端时，如果射入下拉开关的漏端，由于输出端寄生电容很小，一个较小能量的单粒子就可将输出端电压发生很大的变化；当电荷补偿NMOS导通后，对电荷泵输出端进行充电，由于电荷补偿NMOS的导通电阻远小于衰减电阻，因此通过衰减电阻提供的电荷量比电源通过电荷补偿NMOS提供的电量要小得多，即第二电容上极板损失的电荷量很小，故振荡器的输入端电压的变化很小。
同理，如果单粒子射入上拉开关的漏端，当电荷泄放PMOS后，电荷泵输出端对电荷泄放PMOS快速放电，由于衰减电阻的阻值远大于电荷泄放PMOS的导通电阻，故泄放到第二电容的电荷量很少，故振荡器的输入端电压的变化很小。
附图说明
图1为典型的锁相环结构示意图；
图2为本发明的抗单粒子瞬态锁相环示意图；
图3为单粒子射入电荷泵NMOS的瞬态电流示意图；
图4为电荷泵输出端电压变化的说明示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提出的抗单粒子瞬态的锁相环基于以下分析：
首先，分析电荷泵锁相环对单粒子瞬态的敏感性。如图1所示的典型结构的电荷泵锁相环系统，包括数字部分的鉴频鉴相器和分频器，模拟部分的电荷泵和压控振荡器及无源滤波电路。数字电路的抗单粒子瞬态已得到深入研究，许多研究成果可直接应用于锁相环之中的鉴频鉴相器和分频器；对于压控振荡器，其振荡需要大的驱动电流，故压控振荡器受单粒子撞击后会较快恢复。从整体分析，单粒子瞬态轰击鉴频鉴相器、分频器及压控振荡器造成的相位误差均需要经电荷泵作用于滤波器，因此，对压控振荡器控制电压产生的电压扰动幅值都受电荷泵电流的限制，而如果单粒子打到电荷泵输出端时，产生的电荷会直接作用于滤波器，瞬态电流不受电荷泵电流的限制，因此会导致压控振荡器控制电压较大的变化，导致系统失锁。单粒子轰击电荷泵输出端造成的误差相位比轰击系统其他部位造成的误差相位大两个数量级，因此，本发明解决抑制单粒子轰击电荷泵输出端时对系统造成的影响。
本发明在锁相环的电荷泵和滤波电路之间加入单粒子抑制电路30，当电荷泵20的输出端140受到单粒子轰击时，进而对该点进行电荷泄放或者电荷补偿，从而减小对压控振荡器50的输入端150造成的电压扰动。
如图2所示，一种抗单粒子瞬态的锁相环，包括鉴频鉴相器10、电荷泵20、滤波器40，压控振荡器50和分频器60，在电荷泵20与滤波器40之间设有单粒子抑制电路30；
单粒子抑制电路30包括电荷泄放支路、衰减电阻和电荷补偿支路，衰减电阻一端接电荷泵20的输出端140，另一端接压控振荡器50的输入端150；
当电荷泵20的输出端140电压降低，需要充电时，滤波器40经单粒子抑制电路30对电荷泵20的输出端140充电；
当电荷泵20的输出端140电压升高，需要放电时，电荷泵20的输出端140经单粒子抑制电路30对滤波器40充电。
具体的，输入参考信号100和反馈信号110为鉴频鉴相器10的输入信号，鉴频鉴相器10的第一输出信号120和第二为输出信号130，分别控制电荷泵20的上拉开关22和下拉开关23；压控振荡器50的输出端160接分频器60的输入端，分频器60的输出端生成反馈信号110，接频鉴相器10的输入端后与输入参考信号100进行相位比较。
进一步的，电荷泵20的上拉开关为PMOS 22，其漏极为电荷泵20的输出端140，其栅极由鉴频鉴相器10的第一输出信号120控制，其源极接电流源21的一端，电流源21的另一端接电源；
下拉开关为NMOS 23，其漏极为电荷泵20的输出端140，其栅极由鉴频鉴相器10的第二为输出信号130控制，其源极接电流沉24的一端，电流沉24的另一端接地；
滤波器40包括电阻41，第一电容42和第二电容43，第一电容42上极板接电阻41一端，第二电容43的上极板连接压控振荡器50的输入端150，其下极板均接地；电阻41设在第一电容42的上极板与压控振荡器50的输入端150之间；第一电容42的电容值大于20倍的第二电容43的电容值，第二电容43的电容值远大于电荷泵20输出结端140的寄生电容。
所述的单粒子抑制电路30包括电荷泄放PMOS 31、衰减电阻32和电荷补偿NMOS 33；电荷泄放PMOS 31的漏极接地，栅极接压控振荡器50的输入端150，源极接电荷泵20的输出端140；
电荷补偿NMOS 33的漏极接电源，栅极接压控振荡器50的输入端150，源极接电荷泵20的输出端140。
在正常工作条件下，流经电流源21的充电电流与衰减电阻32之积小于电荷泄放PMOS 31的阈值电压，流经电流沉24的放电电流与衰减电阻32之积小于电荷补偿NMOS 33的阈值电压；在正常工作条件下，电荷泄放PMOS 31和电荷补偿NMOS 33均处于截止状态，对锁相环状态不产生任何影响；
而压控振荡器50输入电压范围为：
电流沉24的过驱动电压+电流沉（24）的放电电流×衰减电阻（32）＜压控振荡器50输入电压＜电荷泵电源电压－电流源21的过驱动电压－电流源（21）的充电电流×衰减电阻32。这样就保证了电荷泵20充放电电流的一致性，在该状态下锁相环和典型结构的锁相环传递函数相同，因此相位裕度及带宽均相同，保证了锁相环的稳定性。
当单粒子射入电荷泵输出结点时，具有以下两种情况：
第一种情况，单粒子射入下拉开关NMOS 23的漏端，导致输出端140电压下降。由于电荷泵20输出端140的寄生电容很小，一个较小能量的单粒子就会使该点电压产生很大幅度的变化。考虑两种可能：
首先，假设单粒子在输出端140造成电压降低的幅度小于电荷补偿NMOS 33的阈值电压（约600mV），此时电荷补偿NMOS 33和电荷泄放PMOS 31均处于截止状态，且由于上拉开关PMOS 22和下拉开关NMOS 23在系统稳定时大部分的时间处于断开状态，故输出端140只有滤波器40通过衰减电阻32向其充电这一条支路，由于第一电容42上极板存在一个较大的电阻41，所以滤波器40对输出端140的充电电荷主要由第二电容43提供，并且第二电容43的电容值要远大于电荷泵20输出端140的寄生电容，第二电容43上极板微小的电压变化提供的电荷便可将结点140充到与其相同的值。
其次，假设单粒子在输出端140造成电压降低的幅度大于电荷补偿NMOS 33的阈值电压，此时电荷泄放PMOS 31处于截止状态而电荷补偿NMOS 33导通，对电荷泵20输出端140进行充电，由于电荷补偿NMOS 33的导通电阻远小于衰减电阻32，因此第二电容43通过衰减电阻32提供的电荷量比电源通过电荷补偿NMOS 33提供的电量要小得多，即第二电容43上极板损失的电荷量很小，所以压控振荡器输入端150电压变化很小。
第二种情况，单粒子射入上拉开关PMOS 22的漏端，导致电荷泵20输出端140电压升高。同样考虑两种可能：
首先，假设单粒子在输出端140造成电压升高的幅度小于电荷泄放PMOS 31的阈值电压的绝对值（约600mV），此时电荷补偿NMOS 33和电荷泄放PMOS 31均处于截止状态，且由于上拉开关PMOS 22和下拉开关NMOS 23在系统稳定时大部分时间处于断开状态，故该点只有通过衰减电阻32向滤波器40放电这一条支路，而第二电容43的电容值要远大于电荷泵20输出端140的寄生电容，第二电容43上极板150微小的电压变化便可将输出端140的电压放到与其相同的值。
其次，假设单粒子在输出端140造成电压降低的幅度大于电荷泄放PMOS 31的阈值电压的绝对值，这时电荷补偿NMOS 33处于截止状态而电荷泄放PMOS 31导通，由于电荷泄放PMOS 31的源极接地，而且衰减电阻的阻值远大于电荷泄放PMOS的导通电阻，所以电荷泵20输出端140大部分电荷通过电荷泄放PMOS 31放电，少部分电荷通过衰减电阻32向第二电容43充电，故泄放到第二电容43的电荷量很少，振荡器的输入端150电压的变化很小。
如图3为单粒子射入电荷泵NMOS 23管漏端产生的瞬态电流示意图，可以看出，曲线存在“台阶”区，该区域对应的漏端电压为0，且“台阶”区电流的幅值和其周围电路的驱动能力成正比，而“台阶”区宽度和其周围电路的驱动能力成反比。从图中还可看出，补偿的电荷量主要集中在“台阶”区，本发明通过在“台阶”区内，补偿电荷由电源通过NMOS 33提供，从而减小单粒子对振荡器的输入端150的影响。
如图4为电荷泵20输出端140电压变化的说明示意图。图中A对应着“台阶”区，在该阶段，输出端140电压为0，衰减电阻32的阻值要远大于电荷补偿NMOS 33的导通电阻，因此该阶段充电电荷量主要由电源通过NMOS 33提供，随着结点140电压的升高，到B阶段和C阶段的交接处，NMOS 33停止提供电荷，剩余的电荷由电容43通过衰减电阻32提供，所以该阶段电容43上极板微小的电压变化便可将结点140的电压充到与其相同的值。
相应的，单粒子射入PMOS 22漏端产生瞬态电流仍存在“台阶”区，在该阶段，衰减电阻32的阻值要远大于电荷泄放PMOS 31的导通电阻，因此该阶段放电电荷量主要通过电荷泄放PMOS 31泄放到地，随着输出端140电压的降低，电荷泄放PMOS 31逐渐停止提供电荷，剩余的电荷通过衰减电阻32泄放到电容43上，所以该阶段电容上极板微小的电压变化便可将结点140的电压放到与其相同的值，从而减小单粒子对振荡器的输入端150的影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下，还可以设计若干简单的替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (9)
1.一种抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，包括鉴频鉴相器(10)、电荷泵(20)、滤波器(40)，压控振荡器(50)和分频器(60)，在电荷泵(20)与滤波器(40)之间设有单粒子抑制电路(30)；
单粒子抑制电路(30)包括电荷泄放支路、衰减电阻和电荷补偿支路，衰减电阻一端接电荷泵(20)的输出端(140)，另一端接压控振荡器(50)的输入端(150)；
当电荷泵(20)的输出端(140)电压降低，需要充电时，滤波器(40)经单粒子抑制电路(30)对电荷泵(20)的输出端(140)充电；
当电荷泵(20)的输出端(140)电压升高，需要放电时，电荷泵(20)的输出端(140)经单粒子抑制电路(30)对滤波器(40)充电；
所述的单粒子抑制电路(30)包括电荷泄放PMOS(31)、衰减电阻(32)和电荷补偿NMOS(33)；电荷泄放PMOS(31)的漏极接地，栅极接压控振荡器(50)的输入端(150)，源极接电荷泵(20)的输出端(140)；电荷补偿NMOS(33)的漏极接电源，栅极接压控振荡器(50)的输入端(150)，源极接电荷泵(20)的输出端(140)。
2.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，输入参考信号(100)和反馈信号(110)为鉴频鉴相器(10)的输入信号，鉴频鉴相器(10)的第一输出信号(120)和第二输出信号(130)，分别控制电荷泵(20)的上拉开关(22)和下拉开关(23)；压控振荡器(50)的输出端(160)接分频器(60)的输入端，分频器(60)的输出端产生反馈信号(110)，接频鉴相器(10)的输入端后与输入参考信号(100)进行相位比较。
3.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，电荷泵(20)的上拉开关为PMOS(22)，其漏极为电荷泵(20)的输出端(140)，其栅极由鉴频鉴相器(10)的第一输出信号(120)控制，其源极接电流源(21)的一端，电流源(21)的另一端接电源；下拉开关为NMOS(23)，其漏极为电荷泵(20)的输出端(140)，其栅极由鉴频鉴相器(10)的第二输出信号(130)控制，其源极接电流沉(24)的一端，电流沉(24)的另一端接地；
滤波器(40)包括电阻(41)，第一电容(42)和第二电容(43)，第一电容(42)和第二电容(43)的上极板连接压控振荡器(50)的输入端(150)，其下极板均接地，电阻(41)设在第一电容(42)的上极板与压控振荡器(50)的输入端(150)之间；第一电容(42)的电容值大于第二电容(43)的电容值，第二电容(43)的电容值远大于电荷泵(20)输出端(140)的寄生电容。
4.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，流经电流源(21)的充电电流与衰减电阻(32)之积小于电荷泄放PMOS(31)的阈值电压，流经电流沉(24)的放电电流与衰减电阻(32)之积小于电荷补偿NMOS(33)的阈值电压；在正常工作条件下，电荷泄放PMOS(31)和电荷补偿NMOS(33)均处于截止状态。
5.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，压控振荡器(50)输入电压范围为：
电流沉(24)的过驱动电压+流经电流沉(24)的放电电流×衰减电阻(32)＜压控振荡器(50)输入电压＜电荷泵电源电压-电流源(21)的过驱动电压-流经电流源(21)的充电电流×衰减电阻(32)。
6.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，当单粒子射入下拉开关的漏极，导致电荷泵(20)的输出端(140)电压下降后，电压降低的幅度小于电荷补偿NMOS(33)的阈值电压时，第二电容(43)通过衰减电阻(32)向电荷泵(20)的输出端(140)充电。
7.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，当单粒子射入下拉开关的漏极，导致电荷泵(20)的输出端(140)电压下降，电压降低的幅度大于电荷补偿NMOS(33)的阈值电压时，第二电容(43)通过衰减电阻(32)向电荷泵(20)的输出端(140)充电；同时，电荷泄放PMOS(31)处于截止状态而电荷补偿NMOS(33)导通，电荷泵(20)的输出端(140)所需要补偿的超过90％的电荷由电荷补偿NMOS(33)来提供，从而减小了振荡器(50)的输入端(150)电压的变化。
8.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，当单粒子射入上拉开关的漏极，导致电荷泵(20)的输出端(140)电压升高，电压升高的幅度小于电荷泄放PMOS(31)的阈值电压时，电荷泵(20)的输出端(140)通过衰减电阻(32)向第二电容(43)充电。
9.如权利要求1所述的抗单粒子瞬态的锁相环，其特征在于，当单粒子射入上拉开关的漏极，导致电荷泵(20)的输出端(140)电压升高后，电压升高的幅度大于电荷泄放PMOS(31)的阈值电压时，电荷泵(20)的输出端(140)通过衰减电阻(32)向第二电容(43)充电；同时，电荷补偿NMOS(33)处于截止状态而电荷泄放PMOS(31)导通，电荷泵(20)的输出端(140)所需要泄放超过90％的电荷通过电荷泄放PMOS(31)泄放，从而减小了振荡器(50)的输入端(150)电压的变化。
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