CN103063933B - 单粒子脉冲宽度测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单粒子脉冲宽度测量电路。该电路包括单粒子脉冲信号产生电路及至少一级测量电路；单粒子脉冲信号产生电路产生待测单粒子脉冲信号；由待测单粒子脉冲信号直接驱动的双稳态电路构成测量电路的第一级；从测量电路的第二级开始，每一级电路分别由脉冲衰减电路和双稳态电路构成；其中脉冲衰减电路的输入端与上一级电路中双稳态电路的信号输入端相连，脉冲衰减电路的输出端与本级电路中的双稳态电路的信号输入端相连；预设的一级或多级双稳态电路的输出端共同构成了测量电路的输出结果，该输出结果对应单粒子脉冲宽度。本发明的单粒子脉冲宽度测量电路，可以提高单粒子脉冲宽度的测量精度，降低设备成本。

Description

单粒子脉冲宽度测量电路

技术领域

本发明涉及电子行业电脉冲信号测量技术领域，尤其涉及一种单粒子脉冲宽度测量电路。

背景技术

随着航天、军事等领域技术的发展，越来越多的集成电路需要在辐射环境下工作。辐射对集成电路产生的效应主要分为两大类：单粒子效应和总剂量效应。

其中，单粒子瞬变效应是影响芯片性能的主要因素。当芯片放置在辐射环境中，周围能量粒子会注入到芯片内部，由于电离辐射作用能量粒子的运动轨迹上产生一定数目的电子、空穴对；这些电子、空穴对在电场的作用下被芯片上的电路节点吸收，改变节点电平。如果所述芯片上的电路中没有反馈回路，那么在单粒子作用的时间结束后，该节点电平又会恢复回原来的值，从而在电路中产生一个脉冲信号，在短时间内对电路节点产生干扰。

为了能够避免上述单粒子瞬变效应，首先需要对单粒子效应进行研究，比如对单粒子脉冲信号宽度等特征进行准确测量，进而为抗单粒子效应的改进提供理论参数。

在对单粒子脉冲信号宽度进行测量时，由于单粒子作用时间非常短，产生的脉冲信号电平维持时间在几十到几百ps(10^-9秒)之间。如果采用传统的示波器或逻辑分析仪等检测设备测量单粒子脉冲宽度，对设备的工作频率要求非常高，测试成本高且实现难度非常大。如果采用片上电路进行测试，现有的脉冲宽度测量方法往往通过外部输入高频信号对脉冲信号采样来进行测量，这种测量方法的捕获精度受采样信号的频率和性能影响，实际测试中也难以提供频率极高、波形特点又十分优良的采样信号，因此可测量脉冲宽度的范围小、测量精度低，不适于进行单粒子脉冲的宽度测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种单粒子脉冲宽度测量电路，以提高单粒子脉冲宽度的测量精度，降低设备成本。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种单粒子脉冲宽度测量电路。该电路包括单粒子脉冲信号产生电路及至少一级测量电路；单粒子脉冲信号产生电路产生待测单粒子脉冲信号；由待测单粒子脉冲信号直接驱动的双稳态电路构成测量电路的第一级；从测量电路的第二级开始，每一级电路分别由脉冲衰减电路和双稳态电路构成；其中脉冲衰减电路的输入端与上一级电路中双稳态电路的信号输入端相连，脉冲衰减电路的输出端与本级电路中的双稳态电路的信号输入端相连；预设的一级或多级双稳态电路的输出端共同构成了测量电路的输出结果，该输出结果对应单粒子脉冲宽度。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，双稳态电路具有两个稳定状态；在对待测单粒子脉冲信号进行测量前，输出能够处于一个确定的稳定状态，在对输入待测单粒子脉冲信号进行测量时，只要输入信号发生翻转并维持足够长的时间，双稳态电路能够从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，使得输出信号电平改变。优选地，双稳态电路为RS锁存器。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，若将多级测量电路中各RS锁存器的R输入端连接到复位信号上，则S输入端作为信号输入端；若将多级测量电路中各RS锁存器的S输入端连接到置位信号上，则R输入端作为信号输入端。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，如果待测单粒子脉冲信号为高电平脉冲信号，多级测量电路中各RS锁存器为或非门RS锁存器；如果待测单粒子脉冲信号为低电平脉冲信号，多级测量电路中各RS锁存器为与非门RS锁存器。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，或非门RS锁存器或与非门RS锁存器中，PMOS管中的导电沟道的宽为1.5μm、长为0.18μm，NMOS管中的导电沟道的宽为0.5μm、长为0.18μm。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，脉冲衰减电路，在单粒子脉冲信号测量时，当输入脉冲宽度在阈值范围时，输出脉冲信号宽度短于输入脉冲信号宽度。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，脉冲衰减电路为由两个串联的反相器构成的缓冲器电路，其中第一级反相器的输入端作为缓冲器电路的输入端，第一级反相器的输出端作为第二级反相器的输入端，第二级反相器的输出端作为缓冲器电路的输出端。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，每个反相器包括一个PMOS管和一个NMOS管，PMOS管中的导电沟道的宽为1.5μm、长为0.18μm，NMOS管中的导电沟道的宽为0.5μm、长为0.18μm。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，该测量电路中预设级测量电路的双稳态电路的输出信号连接至示波器、电压表或逻辑分析仪；或该测量电路中预设级测量电路的双稳态电路的输出信号通过电路，将结果在给定的时钟信号下串行输出给示波器或逻辑分析仪。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，根据待测单粒子脉冲信号脉冲宽度范围和各级精度特点，选择不同的测量级数作为预设级，每级测量电路的结构和尺寸相同或不同。

优选地，本发明单粒子脉冲宽度测量电路中，该测量电路中，根据双稳态电路的翻转数目同单粒子脉冲宽度间的对应关系，反推出输入信号的脉冲宽度范围。

(三)有益效果

本发明单粒子脉冲宽度测量电路具有下列有益效果：

(1)通过在电路设计中选择合适的测试结构，测试级数，改变预设级设置，可以调节每级的测试精度和电路的测试范围，更好的适应待测单粒子脉冲的特点，可实现的测量精度较高，各级的测试精度和测试范围可调；

(2)该电路不依赖于高频示波器等高频设备，也不需高频时钟输入信号，采用普通的基本设备条件就可以实现测量，测试成本低；

(3)通过片上电路实现对单粒子脉冲信号的片上采集和测量，使得脉冲信号不需外部长走线，避免了长距离传输过程中受到的干扰。

附图说明

图1为本发明实施例中单粒子脉冲宽度测量电路的结构示意图；

图2为图1中的双稳态电路为RS锁存器的电路结构示意图；

图3为图1中的脉冲衰减电路为缓冲器的电路结构示意图；

图4为图3中的脉冲衰减电路衰减效果示意图；

图5为本发明实施例中的脉冲宽度测量电路的工作波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

如图1所示，本发明实施例中提供的脉冲宽度测量电路，包括由多个脉冲衰减电路101和多个双稳态电路100组成的至少两级电路结构，双稳态电路100包括至少一个信号输入端和一个信号输出端；

脉冲宽度测量电路的第一级电路结构包括一个双稳态电路，该双稳态电路锁存器100的信号输入端用于输入待测单粒子脉冲信号；

从脉冲宽度测量电路的第二级电路结构开始，每一级电路结构包括一个脉冲衰减电路101和一个双稳态电路100；而且，每一级电路结构中的脉冲衰减电路101的输入端与其上一级电路结构中的双稳态电路100的信号输入端相连，该脉冲衰减电路101的输出端与本级电路结构中的双稳态电路100的信号输入端相连。也就是说，本级电路结构中的脉冲衰减电路101的输出信号同时作为本级双稳态电路100和下一级脉冲衰减电路101的输入信号。

上述脉冲宽度测量电路，利用多个脉冲衰减电路和双稳态电路来构成一个多级的测试电路结构。由待测单粒子脉冲信号直接驱动第一级电路结构中的双稳态电路；之后，待测单粒子脉冲信号逐级经过各级电路结构中的脉冲衰减电路，待测单粒子脉冲信号的驱动能力逐级降低，直至衰减后的待测单粒子脉冲信号无法驱动某一级电路结构；显然，脉冲宽度越宽，能够驱动翻转双稳态电路数目越多，因此根据每一级双稳态电路的输入结果即可判断出最初输入的待测单粒子脉冲信号的脉冲宽度范围，即脉冲信号电平维持时间。

根据待测单粒子脉冲信号脉冲宽度范围和各级精度特点，选择不同的测量级数，每级测量电路的结构和尺寸相同或不同。例如，若要求某段区域内的测量步长较长，可在对应的几级测量电路中，选择结构和尺寸相对较大的衰减电路和双稳态电路。反之，在对精度要求较高时，可选择尺寸较小，结构简单的衰减电路或更灵敏的双稳态电路。也可以通过修改电路的预设级设置，改变电路的输出情况，对电路的测试精度和测试范围进行调节。

具体到本实施例中，上述脉冲宽度测量电路中的双稳态电路100优选为由与非门或或非门输入输出交叉耦合构成的基本RS锁存器。此外，该双稳态电路还可以为射极耦合双稳态电路，RS锁存器电路，D锁存器电路。以下用基本RS锁存器为例对该双稳态电路100的工作原理进行说明，其他类型的双稳态电路与此类似，不再重述说明。

对于RS锁存器来讲，为了使得基本RS锁存器在单粒子脉冲信号测量前能够处于一个确定的状态，可将各RS锁存器的R输入端连接到复位信号上或者将S输入端连接到置位信号上，将剩下的另一个输入端作为信号输入端。如果待测单粒子脉冲信号为高电平脉冲信号，可以选择或非门基本RS锁存器(由两个或非门输入/输出交叉耦合构成的基本RS锁存器)；如果待测单粒子脉冲信号为低电平脉冲信号，可以选择与非门基本RS锁存器。

在本实施例中，测量高电平单粒子脉冲信号宽度，各级锁存器选为或非门基本RS锁存器(如图2所示)，各锁存器的R端连接到统一的复位信号上，在单粒子脉冲信号测量前，该复位信号产生一个高电平脉冲，从而使得全部RS锁存器出于复位状态。各锁存器的S端作为信号输入端，Q端作为输出端，复位后输出端均为低电平。在具体实施例中，PMOS管中的导电沟道的宽为1.5μm、长为0.18μm，NMOS管中的导电沟道的宽为0.5μm、长为0.18μm。

由于单粒子脉冲信号脉冲宽度非常窄，通过仿真可知，极窄脉冲在通过偶数级反相器级联构成的缓冲器电路时脉冲宽度可发生衰减。此时反相器级联数目越多，尺寸越大，对信号的衰减程度越大，则该级测试范围越大，但测试精度越低。为了能更好地控制信号衰减力度，防止信号衰减程度过大，在本实施例中优选地采用两级反相器串联构成的缓冲器电路来实现脉冲衰减电路101。

如图3所示，本实施例中的脉冲衰减电路101采用两个串联的反相器构成的缓冲器电路实现。此外，该脉冲衰减电路还可以为电容或与门电路等。以下用由两个级联的反相器构成的缓冲器电路为例对该脉冲衰减电路101的工作原理进行说明，其他类型的脉冲衰减电路与此类似，不再重述说明。

对于由两个级联的反相器构成的缓冲器电路来讲，每个反相器包括一个PMOS管和一个NMOS管；其中第一级反相器的输入端作为缓冲器电路的输入端in，第一级反相器的输出端作为第二级反相器的输入端，第二级反相器的输出端作为缓冲器电路的输出端out。在具体实施例中，PMOS管中的导电沟道的宽为1.5μm、长为0.18μm，NMOS管中的导电沟道的宽为0.5μm、长为0.18μm。具体地，MOS管的尺寸越大，则反相器的衰减能力就越强，因此可以根据实际需要来调整PMOS管和/或NMOS管的尺寸。

本实施例中，该测量电路中预设级测量电路的双稳态电路的输出信号可以连接至示波器，逻辑分析仪或电压表。此外，该测量电路中预设级测量电路的双稳态电路100的输出信号也可以通过电路，将结果在给定的时钟信号下串行输出给示波器或逻辑分析仪，从而实现在一个线路上实现多位结果输出，使得一个示波器或逻辑分析仪的探头就能够采集全部输出结果，便于设备自动记录测试结果。此处，可以根据对待测单粒子脉冲信号测量结果精度和范围的要求选取指定的测量级测量电路作为预设级测量电路，将预设级测量电路的输出结果作为最终的输出结果，在本实施例中，将三级测量电路全部设为预设级测量电路用于输出结果。

参看图4所示，其中input 1为第二级测试电路中缓冲器的输入信号，input2为第二级测试电路中缓冲器的输出信号，该信号同时作为第三级测试电路中缓冲器的输入信号，该缓冲器的输出信号即为input 3信号。从图4中明显可以看出，信号input 2的有效电平宽度小于input 1的有效电平宽度；而信号input 3的有效电平宽度小于input 2的有效电平宽度。说明这两级测试电路中的缓冲器电路都实现了脉冲宽度衰减。

下面将以一具体实施例来进一步介绍本发明实施例中的脉冲宽度测量电路的结构。本实施例中的脉冲宽度测量电路以采用三级电路结构为例，其中out1，out2，out3分别为第一、二、三级测试电路的输出。

结合图5所示，其中第一级电路结构中的锁存器100的S端同单粒子产生电路的输出信号input信号相连。从第二级开始，上一级电路中的RS锁存器的Q输出端同时作为本级RS锁存器中的S信号输入端和缓冲器输入端；每级锁存器的Q输出端作为各级测量电路的输出结果，直接并行输出或通过其他电路转为串行输出。

当单粒子脉冲产生时，即input信号出现高电平脉冲，此时该脉冲驱动第一级RS锁存器发生翻转，输出变为高电平。而后该脉冲信号逐级通过缓冲器电路进行衰减，驱动能力逐级变弱。对于脉冲宽度较宽的单粒子脉冲信号，可以驱动多级RS锁存器发生翻转，而脉宽较窄的信号发生翻转的锁存器数目较少。

从图5中可以看出，当input信号为脉冲宽度为35ps时，在测试开始时，统一的复位Reset信号使所有锁存器的输出结果全都复位成0；第一级锁存器在input信号的驱动下，输出结果翻转成高电平1；然后，input信号经过第二级电路结构中的脉冲衰减电路后输入到第二级电路结构的锁存器，测试信号的驱动能力逐级下降，如图5所示，第二级电路结构的锁存器100的输出结果并未出现翻转而仅仅是出现了一个幅值很小的脉冲，无法驱动第二级锁存器翻转，锁存器输出低电平0；同理第三级电路结构中的锁存器同样输出低电平0。

通过上述测试可以得知，上述脉冲宽度为35ps的单粒子脉冲信号只能够驱动一级锁存器，即测试结果out1、out2、out3分别为1、0、0。

多次改变待测单粒子脉冲信号input中的脉冲宽度，即可绘制出脉冲宽度同驱动锁存器数目之间的对应关系表格(见表1)。

表1脉冲宽度同驱动锁存器数目之间的对应关系

在得到表1之后，可以利用上述脉冲宽度测量电路来对某一未知的测试信号进行脉冲宽度测量，并根据不同级的锁存器的输出结果来反推出未知的测试信号的脉冲宽度。例如，当测试结果out1、out2、out3输出分别为1、1、0时，所测脉冲宽度在37ps到42ps之间

在本发明实施例中，可以根据待测单粒子脉冲信号特点，通过设置合适的测试电路级数或改变各级双稳态电路和脉冲衰减电路结构、尺寸，调整预设级的设置等，调节测试范围和每级的测试精度。例如增大测试电路级数可以提高测试范围，增大衰减电路和双稳态电路的尺寸可以提高该级测试范围，改变预设级的设置可以改变结果的输出范围和精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，包括：单粒子脉冲信号产生电路及至少一级测量电路；

所述单粒子脉冲信号产生电路产生待测单粒子脉冲信号；

由待测单粒子脉冲信号直接驱动的双稳态电路构成测量电路的第一级；从测量电路的第二级开始，每一级电路分别由脉冲衰减电路和双稳态电路构成；其中脉冲衰减电路的输入端与上一级电路中双稳态电路的信号输入端相连，脉冲衰减电路的输出端与本级电路中的双稳态电路的信号输入端相连；预设的一级或多级双稳态电路的输出端共同构成了测量电路的输出结果，该输出结果对应所述单粒子脉冲宽度；

其中，所述双稳态电路为RS锁存器，所述脉冲衰减电路为由两个串联的反相器构成的缓冲器电路，其中第一级反相器的输入端作为缓冲器电路的输入端，第一级反相器的输出端作为第二级反相器的输入端，第二级反相器的输出端作为缓冲器电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，所述双稳态电路具有两个稳定状态；

在对待测单粒子脉冲信号进行测量前，输出能够处于一个确定的稳定状态，在对输入待测单粒子脉冲信号进行测量时，只要输入信号发生翻转并维持足够长的时间，双稳态电路能够从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，使得输出信号电平改变。

3.根据权利要求2所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，若将多级测量电路中各RS锁存器的R输入端连接到复位信号上，则S输入端作为信号输入端；若将多级测量电路中各RS锁存器的S输入端连接到置位信号上，则R输入端作为信号输入端。

4.根据权利要求2所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，如果待测单粒子脉冲信号为高电平脉冲信号，所述测量电路中各RS锁存器为或非门RS锁存器；如果待测单粒子脉冲信号为低电平脉冲信号，所述测量电路中各RS锁存器为与非门RS锁存器。

5.根据权利要求4所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，所述或非门RS锁存器或与非门RS锁存器中，PMOS管中的导电沟道的宽为1.5μm、长为0.18μm，NMOS管中的导电沟道的宽为0.5μm、长为0.18μm。

6.根据权利要求1所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，所述脉冲衰减电路，在单粒子脉冲信号测量时，当输入脉冲宽度在阈值范围时，输出脉冲信号宽度短于输入脉冲信号宽度。

7.根据权利要求6所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，每个反相器包括一个PMOS管和一个NMOS管，所述PMOS管中的导电沟道的宽为1.5μm、长为0.18μm，所述NMOS管中的导电沟道的宽为0.5μm、长为0.18μm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，

该测量电路中预设级测量电路的双稳态电路的输出信号连接至示波器、电压表或逻辑分析仪；或

该测量电路中预设级测量电路的双稳态电路的输出信号通过电路，将结果在给定的时钟信号下串行输出给示波器或逻辑分析仪。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，根据待测单粒子脉冲信号脉冲宽度范围和各级精度特点，选择不同的测量级数，调整预设级，每级测量电路的结构和尺寸相同或不同。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的单粒子脉冲宽度测量电路，其特征在于，该测量电路中，根据双稳态电路的翻转数目同单粒子脉冲宽度间的对应关系，反推出输入信号的脉冲宽度范围。