CN103353999B - 一种具有抗辐照能力的表决器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有抗辐照能力的表决器，包括两个三输入表决器、两个反相器和一个C单元反相器相互连接组成。为了防止辐射在表决器内部节点产生的单粒子瞬态脉冲传递到输出端口，本发明采用双模表决器来进行比较，如果有一路表决器受到辐射产生了单粒子瞬态脉冲，那么可以借助C单元反相器来很好的滤除单粒子瞬态脉冲；C单元反相器之所以能滤除单粒子脉冲的原因是C单元反相器只有在两个输入相同时才能输出反相的结果，否则输出结果保持不变。正是由于本发明利用双路比较器再结合C单元的逻辑特性，可以很好的滤除单粒子辐射带来的瞬态脉冲，保证表决器的最终结果正确。
Description
技术领域
本发明属于数字电路表决器技术领域，具体涉及一种具有抗辐照能力的表决器。
背景技术
冯·诺伊曼早在1956年就在标题为Probabilistic logics and synthesis ofreliable organisms from unreliable components（in Automata Studies,C.Shannon andJ.McCarthy,Eds.Princeton University Press,1956,pp.43–98.）的文献中提出利用冗余和多数表决器来构造可靠系统。从此多模冗余和三模冗余就作为一种最基本的技术在可靠性系统中被广泛应用。由于三模冗余需要额外的硬件开销较小，且其可靠性非常接近多模冗余，使得三模冗余技术在工业、交通控制以及航空航天领域广泛使用。
航空航天飞行器中的芯片很容易受外层空间以及核爆等辐射的影响而出现暂时的功能错误，这种错误称之为“软错误”。出现这种“软错误”的原因是高能带电粒子（太阳内部核聚变反应放射出来的质子和α粒子、核爆炸产生的高能Y射线、X射线、中子及电磁脉冲以及芯片封装材料中微量放射性元素发生的Q粒子）在穿过电子器件的灵敏区时，沉积能量，产生足够数量的电荷，这些电荷被器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非正常改变。这种逻辑状态非正常改变就会造成芯片功能错误从而出现“软错误”。正是由于这种“软错误”是不可避免的，所以需要采用三模冗余硬件加固技术，这样就不得不使用到表决器来得到最终的输出。近年来，人们的研究热点一直是怎么来加固电路中的D触发器和组合电路，却忽视了表决器也是很容易受到辐射影响从而产生错误的表决。随着我国航天事业的迅猛发展，集成电路作为航天器核心，其可靠性和性能也有了更高的要求。我国的抗辐照集成电路的研制还处于起步阶段。由于美国核心高端芯片对我国采取禁售措施，使得我国长期以来不得不采用8086、80386、1750等性能很低的集成电路来构建航天器的电子系统，很难完成用于军事侦察、载人航天等关键任务。因此设计更加可靠的集成电路意义重大，而表决器作为三模冗余技术不可或缺的一部分，设计一种能抵抗辐照的表决器可以大大提高整个三模冗余系统的可靠性，从而里满足不断发展的航空航天事业。
传统的表决器如图1所示，将三个输入信号两两一组进行“与”运算，再将“与”运算的结果进行“或”运算后作为表决器的表决结果输出。从图1中的真值表可以看出，这个表决器是满足三模冗余系统“少数服从多数”的要求，即只要保证三个输入信号中有两个输入信号是正确的，那最后的判决结果也是正确的。但这样一个表决器内部节点是很容易受到辐射影响从而产生单粒子瞬时脉冲；图2为上述模拟表决器中一个与门输出节点受到辐射后的波形图，可以看出这个与门输出节点上产生了瞬时脉冲，这个瞬时脉冲最后传递到表决器输出端，从而造成表决器短暂表决错误，如果这个短暂错误（图2中的毛刺）结果被下一个电路采样到，就会造成整个电路的功能错误。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有抗辐照能力的表决器，使得表决器在有辐射下仍然能工作正常而不会产生瞬态脉冲。
一种具有抗辐照能力的表决器，包括两个三输入表决器B1～B2、两个反相器INV1～INV2和一个C单元反相器；其中：
三输入表决器B1的三个输入端与三输入表决器B2的三个输入端对应连接且分别接收三组输入信号，三输入表决器B1的输出端与反相器INV1的输入端相连，三输入表决器B2的输出端与反相器INV2的输入端相连，反相器INV1的输出端与C单元反相器的第一输入端相连，反相器INV2的输出端与C单元反相器的第二输入端相连，C单元反相器的输出端输出表决结果。
所述的三输入表决器以三组输入信号作为自身的输入信号，若三组输入信号中有至少两组为1，则三输入表决器输出为1，否则输出为0。
所述的反相器INV1对三输入表决器B1的输出结果做反相处理，若三输入表决器B1的输出结果为1，则反相器INV1输出为0；若三输入表决器B1的输出结果为0，则反相器INV1输出1。
所述的反相器INV2对三输入表决器B2的输出结果做反相处理，若三输入表决器B2的输出结果为1，则反相器INV2输出为0；若三输入表决器B2的输出结果为0，则反相器INV2输出1。
所述的C单元反相器对两个反相器INV1～INV2的输出结果做反相处理，若两个反相器INV1～INV2的输出结果同为1，则C单元反相器输出0；若两个反相器INV1～INV2的输出结果同为0，则C单元反相器输出1；若两个反相器INV1～INV2的输出结果不相同，则C单元反相器保持上一次的输出。
优选地，所述的三输入表决器包括两个传输门C1～C2、一异或门和一反相器；其中：异或门的第一输入端为三输入表决器的第一输入端，异或门的第二输入端与传输门C1的输入端相连且为三输入表决器的第二输入端，传输门C2的输入端为三输入表决器的第三输入端，异或门的输出端与反相器的输入端、传输门C1的P管控制极和传输门C2的N管控制极相连，反相器的输出端与传输门C2的P管控制极和传输门C1的N管控制极相连，传输门C1的输出端与传输门C2的输出端相连且为三输入表决器的输出端。
该结构硬件开销及功耗低。
所述的C单元反相器包括两个PMOS管P1～P2和两个NMOS管N1～N2；其中：PMOS管P1的源极接工作电压VDD，PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的源极相连，PMOS管P2的漏极与NMOS管N1的漏极相连且为C单元反相器的输出端，NMOS管N1的源极与NMOS管N2的漏极相连，NMOS管N2的源极接地，PMOS管P1的栅极与NMOS管N2的栅极相连且为C单元反相器的第一输入端，PMOS管P2的栅极与NMOS管N1的栅极相连且为C单元反相器的第二输入端。
为了防止辐射在表决器内部节点产生的单粒子瞬态脉冲传递到输出端口，本发明采用双模表决器来进行比较，如果有一路表决器受到辐射产生了单粒子瞬态脉冲，那么可以借助C单元反相器来很好的滤除单粒子瞬态脉冲。C单元反相器之所以能滤除单粒子脉冲的原因是C单元反相器只有在两个输入相同时才能输出反相的结果，否则输出结果保持不变。正是由于本发明利用双路比较器再结合C单元的逻辑特性，可以很好的滤除单粒子辐射带来的瞬态脉冲，保证表决器的最终结果正确。
附图说明
图1(a)为传统三模冗余系统中表决器的结构示意图。
图1(b)为传统三模冗余系统中表决器的真值表。
图2为传统三模冗余系统中表决器的输入输出功能仿真示意图。
图3为本发明表决器的结构示意图。
图4为三输入表决器的结构示意图。
图5(a)为C单元反相器的结构示意图。
图5(b)为C单元反相器的真值表。
图6为本发明表决器的输入输出功能仿真示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图3所示，一种具有抗辐照能力的表决器，包括两个三输入表决器B1～B2、两个反相器INV1～INV2和一个C单元反相器；其中：
三输入表决器B1的三个输入端与三输入表决器B2的三个输入端对应连接且分别接收三组输入信号，三输入表决器B1的输出端与反相器INV1的输入端相连，三输入表决器B2的输出端与反相器INV2的输入端相连，反相器INV1的输出端与C单元反相器的第一输入端相连，反相器INV2的输出端与C单元反相器的第二输入端相连，C单元反相器的输出端输出表决结果。
三输入表决器以三组输入信号作为自身的输入信号，若三组输入信号中有至少两组为1，则三输入表决器输出为1，否则输出为0。本实施方式中，三输入表决器包括两个传输门C1～C2、一异或门和一反相器，如图4所示；其中：异或门的第一输入端为三输入表决器的第一输入端，异或门的第二输入端与传输门C1的输入端相连且为三输入表决器的第二输入端，传输门C2的输入端为三输入表决器的第三输入端，异或门的输出端与反相器的输入端、传输门C1的P管控制极和传输门C2的N管控制极相连，反相器的输出端与传输门C2的P管控制极和传输门C1的N管控制极相连，传输门C1的输出端与传输门C2的输出端相连且为三输入表决器的输出端。
其中，异或门以三组输入信号中的任意两组作为自身输入信号，若这两组输入信号同为0或者1，则异或门输出为0；若这两组输入信号不同，则异或门输出为1。反相器对异或门的输出结果做反相处理，若异或门的输出结果为1，则反相器输出为0；若异或门的输出结果为0，则反相器输出1。传输门C1以异或门的任一输入信号作为自身输入信号，以异或门的输出结果以及反相器的输出结果作为自身控制信号，若异或门的输出结果为0且反相器的输出结果为1，则传输门C1将自身输入信号直接输出，否则不输出信号。传输门C2以三组输入信号中未被异或门作为输入的剩余最后一组信号作为自身输入信号，以异或门的输出结果以及反相器的输出结果作为此自身控制信号，若异或门的输出结果为1且反相器的输出结果为0，则传输门C2将自身输入信号直接输出，否则不输出信号。
反相器INV1对三输入表决器B1的输出结果做反相处理，若三输入表决器B1的输出结果为1，则反相器INV1输出为0；若三输入表决器B1的输出结果为0，则反相器INV1输出1。
反相器INV2对三输入表决器B2的输出结果做反相处理，若三输入表决器B2的输出结果为1，则反相器INV2输出为0；若三输入表决器B2的输出结果为0，则反相器INV2输出1。
C单元反相器对两个反相器INV1～INV2的输出结果做反相处理，其真值表如图5(b)所示：若两个反相器INV1～INV2的输出结果同为1，则C单元反相器输出0；若两个反相器INV1～INV2的输出结果同为0，则C单元反相器输出1；若两个反相器INV1～INV2的输出结果不相同，则C单元反相器保持上一次的输出。本实施方式中，C单元反相器包括两个PMOS管P1～P2和两个NMOS管N1～N2，如图5(a)所示；其中：PMOS管P1的源极接工作电压VDD，PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的源极相连，PMOS管P2的漏极与NMOS管N1的漏极相连且为C单元反相器的输出端，NMOS管N1的源极与NMOS管N2的漏极相连，NMOS管N2的源极接地，PMOS管P1的栅极与NMOS管N2的栅极相连且为C单元反相器的第一输入端，PMOS管P2的栅极与NMOS管N1的栅极相连且为C单元反相器的第二输入端。
图6是在标准CMOS工艺下，本实施方式表决器受辐照下的功能仿真结果，从图6可以看出，即使本实施方式中的提出的表决器内部节点如表决器B1、B2、反相器INV1、INV2分别收到辐射而出现单粒子瞬时脉冲，但表决器的最终结果不会受到影响，相对于传统三模冗余系统中表决器的输出结果见图1(b)，本实施方式可以很好的滤除单粒子辐射带来的瞬态脉冲，保证表决器的最终结果正确。
Claims (6)
1.一种具有抗辐照能力的表决器，其特征在于：包括两个三输入表决器B1～B2、两个反相器INV1～INV2和一个C单元反相器；其中：
三输入表决器B1的三个输入端与三输入表决器B2的三个输入端对应连接且分别接收三组输入信号，三输入表决器B1的输出端与反相器INV1的输入端相连，三输入表决器B2的输出端与反相器INV2的输入端相连，反相器INV1的输出端与C单元反相器的第一输入端相连，反相器INV2的输出端与C单元反相器的第二输入端相连，C单元反相器的输出端输出表决结果；
所述的C单元反相器包括两个PMOS管P1～P2和两个NMOS管N1～N2；其中：PMOS管P1的源极接工作电压VDD，PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的源极相连，PMOS管P2的漏极与NMOS管N1的漏极相连且为C单元反相器的输出端，NMOS管N1的源极与NMOS管N2的漏极相连，NMOS管N2的源极接地，PMOS管P1的栅极与NMOS管N2的栅极相连且为C单元反相器的第一输入端，PMOS管P2的栅极与NMOS管N1的栅极相连且为C单元反相器的第二输入端。
2.根据权利要求1所述具有抗辐照能力的表决器，其特征在于：所述的三输入表决器B1和B2均以三组输入信号作为自身的输入信号，若三组输入信号中有至少两组为1，则输出为1，否则输出为0。
3.根据权利要求1所述具有抗辐照能力的表决器，其特征在于：所述的反相器INV1对三输入表决器B1的输出结果做反相处理，若三输入表决器B1的输出结果为1，则反相器INV1输出为0；若三输入表决器B1的输出结果为0，则反相器INV1输出1。
4.根据权利要求1所述具有抗辐照能力的表决器，其特征在于：所述的反相器INV2对三输入表决器B2的输出结果做反相处理，若三输入表决器B2的输出结果为1，则反相器INV2输出为0；若三输入表决器B2的输出结果为0，则反相器INV2输出1。
5.根据权利要求1所述具有抗辐照能力的表决器，其特征在于：所述的C单元反相器对两个反相器INV1～INV2的输出结果做反相处理，若两个反相器INV1～INV2的输出结果同为1，则C单元反相器输出0；若两个反相器INV1～INV2的输出结果同为0，则C单元反相器输出1；若两个反相器INV1～INV2的输出结果不相同，则C单元反相器保持上一次的输出。
6.根据权利要求1或2所述具有抗辐照能力的表决器，其特征在于：所述的三输入表决器B1和B2均包括两个传输门C1～C2、一异或门和一反相器；其中：异或门的第一输入端为三输入表决器的第一输入端，异或门的第二输入端与传输门C1的输入端相连且为三输入表决器的第二输入端，传输门C2的输入端为三输入表决器的第三输入端，异或门的输出端与反相器的输入端、传输门C1的P管控制极和传输门C2的N管控制极相连，反相器的输出端与传输门C2的P管控制极和传输门C1的N管控制极相连，传输门C1的输出端与传输门C2的输出端相连且为三输入表决器的输出端。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20150902 Termination date: 20180625 |
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