CN104052473B - 一种抗单粒子辐射的频率产生单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗单粒子辐射的频率产生单元，主要包括一个鉴频鉴相器、一个电荷泵、一个低通滤波器、一个压控振荡器与一个分频器。其中，外部输入的基准频率接到鉴频鉴相器的一个输入端，鉴频鉴相器的另外一个输入端接到分频器的输出端，鉴频鉴相器的输出端接控制电荷泵的充放电。电荷泵采用抗单粒子瞬态的结构，消除了单粒子效应引入的瞬态跳变，实现对敏感点电荷泵输出节点的抗辐射加固效果。电荷泵的输出与低通滤波器、压控振荡器、分频器依次相连。通过对电荷泵结构的改进，使得电荷泵输出节点对单粒子辐射不敏感，此发明可以有效提高电荷泵频率产生单元的抗单粒子辐射能力。

Description

一种抗单粒子辐射的频率产生单元

技术领域

本发明属于空间抗辐射技术领域，涉及一种抗单粒子辐射的频率产生单元。

背景技术

随着当前电子设备在空间等特殊领域的广泛应用，环境对电子设备的抗辐射能力提出了越来越高的要求。在频率合成方面，以电荷泵频率产生单元为代表的时钟产生电路是各种电子设备的重要组成部分之一，如何保证时钟源在辐射环境下具有恒定的性能以及较快的响应速度是目前的主要问题。抗辐射设计可以体现在产品形成的各个阶段，从工艺加工到设计实现、到封装、到组装一直到系统，其中每个阶段都可以进行抗辐射设计，而设计实现的抗辐射能力是可靠性最高的实施方式。因此，目前研究的热点是如何从设计上实现抗辐射的频率产生单元。尤其当工艺水平进入深亚微米技术阶段时，工艺实现对总剂量辐射具有天然的优势，进而使得抗辐射的主要任务为抗单粒子辐射。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种抗单粒子辐射的频率产生单元，能够满足当前辐射等特殊环境对频率合成技术与频率产生单元技术提出的可靠性需求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种抗单粒子辐射的频率产生单元，包括：

鉴频鉴相器，鉴频鉴相器的两个输入分别为输入频率源与分频器输出的反馈频率；鉴频鉴相器的两个输出端分别为电荷泵充电、放电的控制端；

电荷泵，其两个输入端分别与鉴频鉴相器的两个输出端相连接，其输出端与低通滤波器的输入端相连；电荷泵输出节点对单粒子辐射不敏感，在充电关断期间，电荷泵的充电器件对电荷泵输出节点短路；在放电关断期间，电荷泵的放电器件对电荷泵输出节点短路；在充电放电均关断期间，电荷泵的充电与放电器件同时对电荷泵输出节点短路；

低通滤波器，输入端与电荷泵输出节点相连接；

压控振荡器，对输入的电压进行转换输出频率信号，压控振荡器的输入端与低通滤波器的输出端相连接，压控振荡器的输出端为频率产生单元的输出频率端，同时与分频器的输入端相连接；

分频器，对输出频率信号进行分频得到反馈频率信号，连接振荡器的输出端与鉴频鉴相器的一个输入端，构成闭环反馈。

所述的电荷泵包括电流源、充电结构和放电结构；

所述的充电结构包括用于充电控制的第三MOS管、用于镜像电流的第四MOS管、控制开关的第一MOS管和关断期间导通的第二MOS管；其中第四MOS管的栅极接镜像电流源，漏极接电荷泵输出接点，源极与衬底相连接，并接第三MOS管的漏端；第三MOS管的栅极接鉴频鉴相器输出的充电控制端，源极与衬底连接，并接到第一MOS管与第二MOS管的漏极；第一MOS管与第二MOS管的栅极相连，并共同连接到鉴频鉴相器输出的充电控制端；第一MOS管的源极与衬底相连，接到电源电压；第二MOS管的源极与衬底相连，接到电荷泵输出接点；

所述的放电结构包括用于放电控制的第六MOS管、用于镜像电流的第五MOS管、控制工作开关的第七MOS管与关断期间的导通的第八MOS管；其中第五MOS管栅极接镜像电流源，漏极接电荷泵输出接点，源极与衬底相连接，并接第六MOS管的漏端；第六MOS管的栅极接鉴频鉴相器输出的放电控制端，源极与衬底连接，并接到第七MOS管与第八MOS管的漏极；第七MOS管与第八MOS管的栅极相连，并共同连接到鉴频鉴相器输出的放电控制端；第七MOS管的源极与衬底相连，接到地电压；第八MOS管的源极与衬底相连，接到电荷泵输出接点。

当鉴频鉴相器输出的充电控制端为低电平时，电荷泵对其输出信号线进行充电，其充电电流值由电荷泵的电流源决定；当鉴频鉴相器输出的放电控制端为低电平时，电荷泵对其输出信号线进行放电，其放电电流值由电荷泵的电流源决定。

在充电工作关断期间，第三MOS管断开，第四MOS管处于导通状态，此时电荷泵的输出信号线与第三MOS管的漏极是相通的，电荷泵的输出信号线的主要反偏点是第三MOS管的漏极与衬底形成的；第二MOS管将第三 MOS管的衬底与电荷泵的输出信号线连在一起；

当鉴频鉴相器输出的充电控制端为低电平时，第一MOS管导通，第二 MOS管断开，第三MOS管导通，第四MOS管导通，形成了电荷泵的充电通道。

当放电关断期间，鉴频鉴相器输出的放电控制端为低电平，第六MOS管断开，第五MOS管处于导通状态，电荷泵的输出信号线与第六MOS管的漏极是相通的；第八MOS管将第六MOS管的衬底与电荷泵的输出信号线连在一起；鉴频鉴相器输出的放电控制端为高电平时，第七MOS管导通，第八 MOS管断开，第五MOS管导通，第六MOS管导通，形成了电荷泵的放电通道。

所述基准频率由外部提供，鉴频鉴相器对外部基准频率与反馈频率的频率、相位分别比较，产生控制电荷泵的时序信号，当反馈频率低于基准频率或相位落后于基准频率时，鉴频鉴相器输出的充电控制端将产生低脉冲信号；当反馈频率高于基准频率或相位超前于基准频率时，鉴频鉴相器输出的充电控制端将产生高脉冲信号；实现对低通滤波器的输入节点进行有序的充放电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过对电荷泵频率产生单元的电荷泵输出节点在单粒子效应敏感的时刻，采用了漏极与衬底由反偏到短路的技术，使得在器件关断期间，由单粒子效应引起的电荷无法积累，确保了电压信号的稳定，进而稳定了整个频率产生单元的输出频率。通过此项技术，在没有增加硬件成本的基础上，从电路级进行了抗单粒子辐射的设计，确保电荷泵频率产生单元优势的同时，提高了频率产生单元环路的抗单粒子辐射效果，该技术可以广泛地应用于辐射环境下的电荷泵频率产生单元电路产品中。

本发明在电荷泵充电与放电关断期间，电荷泵的输出节点为单粒子效应的敏感节点，本发明针对电荷泵充电期间与放电期间的工作过程，对充电关闭期间的反偏节点进行了处理，使得敏感节点不存在反偏节点，消除了单粒子效应引入的影响；同时对放电关闭期间的反偏节点进行了处理，使得敏感节点不存在反偏节点，消除了单粒子效应引入的影响。通过本发明的实施，可以有效消除电荷泵频率产生单元的单粒子效应带来的频率跳变与频率失锁现象，提高了电荷泵频率产生单元的抗单粒子辐射能力。

附图说明

图1为本文发明的抗单粒子频率产生单元结构示意图。

图2为电荷泵实施方式示意图。

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。

如图1所示，抗单粒子辐射的频率产生单元，包括：电荷泵频率产生单元由鉴频鉴相器10、电荷泵20、低通滤波器30、压控振荡器40与分频器50；

其中鉴频鉴相器10的两个输入60、70分别为输入频率源与分频器50的输出端反馈频率；鉴频鉴相器10的两个输出端80与90分别为电荷泵充电、放电的控制端。

电荷泵20，其两个输入端分别与鉴频鉴相器10的两个输出端相连接，其输出端与低通滤波器的输入端相连；电荷泵20输出节点对单粒子辐射不敏感，在充电关断期间，电荷泵20的充电器件对电荷泵输出节点短路；在放电关断期间，电荷泵20的放电器件对电荷泵输出节点短路；在充电放电均关断期间，电荷泵20的充电与放电器件同时对电荷泵输出节点短路；

低通滤波器30，输入端与电荷泵20输出节点相连接；

压控振荡器40，对输入的电压进行转换输出频率信号，压控振荡器40的输入端与低通滤波器的输出端相连接，压控振荡器40的输出端为频率产生单元的输出频率端，同时与分频器的输入端相连接；

分频器50，对输出频率信号进行分频得到反馈频率信号，连接压控振荡器40的输出端与鉴频鉴相器10的一个输入端，构成闭环反馈。

电荷泵20的输出端100与低通滤波器30的输入相连，低通滤波器30的输出端110与压控振荡器40的输入相连，压控振荡器40的输出端120即为电荷泵频率产生单元频率产生电路的输出频率端，同时，作为分频器50的输入端进行闭环反馈。

其中，对于单粒子辐射效应的最敏感点为电荷泵20的输出节点100。主要原因是在电荷泵充放电关断期间，该点为反偏节点。另外该节点作为高增益压控振荡器的间接输入，对最终的输出频率影响也较为敏感，尤其是对于输出频率范围越来越宽的频率产生单元而言，其压控振荡器的增益较高，使得这种影响更为明显。

参见在图2，所述的电荷泵包括电流源、充电结构和放电结构；

所述的充电结构包括用于充电控制的第三MOS管203、用于镜像电流的第四MOS管204、控制开关的第一MOS管201和关断期间导通的第二MOS 管202；其中第四MOS管204的栅极接镜像电流源，漏极接电荷泵输出接点，源极与衬底相连接，并接第三MOS管203的漏端；第三MOS管203的栅极接鉴频鉴相器输出的充电控制端80，源极与衬底连接，并接到第一MOS管201与第二MOS管202的漏极；第一MOS管201与第二MOS管202的栅极相连，并共同连接到鉴频鉴相器输出的充电控制端80；第一MOS管201的源极与衬底相连，接到电源电压；第二MOS管202的源极与衬底相连，接到电荷泵输出接点；

所述的放电结构包括用于放电控制的第六MOS管206、用于镜像电流的第五MOS管205、控制工作开关的第七MOS管207与关断期间的导通的第八MOS管208；其中第五MOS管205栅极接镜像电流源，漏极接电荷泵输出接点，源极与衬底相连接，并接第六MOS管206的漏端；第六MOS管206 的栅极接鉴频鉴相器输出的放电控制端90，源极与衬底连接，并接到第七 MOS管207与第八MOS管208的漏极；第七MOS管207与第八MOS管 208的栅极相连，并共同连接到鉴频鉴相器输出的放电控制端90；第七MOS 管207的源极与衬底相连，接到地电压；第八MOS管208的源极与衬底相连，接到电荷泵输出接点。

正常工作时，信号线80与信号线90分别为电荷泵充电与放电的控制信号，当信号线80为低电平时，电荷泵对输出信号线100进行充电，其充电电流值由电流源209决定；当信号线90为低电平时，电荷泵对输出信号线100 进行放电，其放电电流值由电流源209决定。根据电荷泵频率产生单元的工作原理，MOS管203与MOS管206每个周期只有一个导通，因此以下单独进行分析。

在充电工作关断期间，即信号线80为高电平时，第三MOS管203断开，由于第四MOS管204处于导通状态，此时电荷泵的输出信号线100与第三 MOS管203的漏极是相通的，因此此时电荷泵输出信号线100的主要反偏点是第三MOS管203的漏极与衬底形成的。由于第二MOS管202的引入，使得在输入信号线80为高电平时，第二MOS管202将第三MOS管203的衬底与电荷泵输出信号线100连在一起，可见，在输入信号线80为高电平期间，在电荷泵充电关断的通路中消除了电荷泵输出信号线100的主要反偏节点，切断了单粒子辐射的放电通道。而第一MOS管201保证了正常充电状态，即输入信号线80为低电平时，第一MOS管201导通，第二MOS管202断开，第三MOS管203导通，第四MOS管204导通，形成了电荷泵的充电通道。

同理，当放电关断期间，即信号线90为低电平时，第六MOS管206断开，由于第五MOS管205处于导通状态，此时电荷泵的输出信号线100与第六MOS管206的漏极是相通的，因此此时电荷泵输出信号线100的主要反偏点是第六MOS管206的漏极与衬底形成的。由于第八MOS管208的引入，使得在输入信号线90为低电平时，第八MOS管208将第六MOS管206的衬底与电荷泵输出信号线100连在一起，可见，在输入信号线90为低电平期间，在电荷泵放电关断的通路中消除了电荷泵输出信号线100的主要反偏节点，切断了单粒子辐射的放电通道。而第七MOS管207保证了正常放电状态，即输入信号线90为高电平时，第七MOS管207导通，第八MOS管208 断开，第五MOS管205导通，第六MOS管206导通，形成了电荷泵的放电通道。

综上所述，在电荷泵充电与放电关断期间，电荷泵的输出节点为单粒子效应的敏感节点，本发明针对电荷泵充电期间与放电期间的工作过程，对充电关闭期间的反偏节点进行了处理，使得敏感节点不存在反偏节点，消除了单粒子效应引入的影响；同时对放电关闭期间的反偏节点进行了处理，使得敏感节点不存在反偏节点，消除了单粒子效应引入的影响。通过本发明的实施，可以有效消除电荷泵频率产生单元的单粒子效应带来的频率跳变与频率失锁现象，提高了电荷泵频率产生单元的抗单粒子辐射能力。

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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种抗单粒子辐射的频率产生单元，其特征在于，包括：

鉴频鉴相器(10)，鉴频鉴相器(10)的两个输入分别为输入频率源与分频器输出的反馈频率；鉴频鉴相器(10)的两个输出端分别为电荷泵(20)充电、放电的控制端；

电荷泵(20)，其两个输入端分别与鉴频鉴相器(10)的两个输出端相连接，其输出端与低通滤波器的输入端相连；电荷泵(20)输出节点对单粒子辐射不敏感，在充电关断期间，电荷泵(20)的充电器件对电荷泵输出节点短路；在放电关断期间，电荷泵(20)的放电器件对电荷泵输出节点短路；在充电放电均关断期间，电荷泵(20)的充电与放电器件同时对电荷泵输出节点短路；

低通滤波器(30)，输入端与电荷泵(20)输出节点相连接；

压控振荡器(40)，对输入的电压进行转换输出频率信号，压控振荡器(40)的输入端与低通滤波器的输出端相连接，压控振荡器(40)的输出端为频率产生单元的输出频率端，同时与分频器的输入端相连接；

分频器(50)，对输出频率信号进行分频得到反馈频率信号，连接压控振荡器(40)的输出端与鉴频鉴相器(10)的一个输入端，构成闭环反馈。

2.如权利要求1所述的抗单粒子辐射的频率产生单元，其特征在于，所述的电荷泵包括电流源、充电结构和放电结构；

所述的充电结构包括用于充电控制的第三MOS管(203)、用于镜像电流的第四MOS管(204)、控制开关的第一MOS管(201)和关断期间导通的第二MOS管(202)；其中第四MOS管(204)的栅极接镜像电流源，漏极接电荷泵输出接点，源极与衬底相连接，并接第三MOS管(203)的漏端；第三MOS管(203)的栅极接鉴频鉴相器输出的充电控制端(80)，源极与衬底连接，并接到第一MOS管(201)与第二MOS管(202)的漏极；第一MOS管(201)与第二MOS管(202)的栅极相连，并共同连接到鉴频鉴相器输出的充电控制端(80)；第一MOS管(201)的源极与衬底相连，接到电源电压；第二MOS管(202)的源极与衬底相连，接到电荷泵输出接点；

所述的放电结构包括用于放电控制的第六MOS管(206)、用于镜像电流的第五MOS管(205)、控制工作开关的第七MOS管(207)与关断期间的导通的第八MOS管(208)；其中第五MOS管(205)栅极接镜像电流源，漏极接电荷泵输出接点，源极与衬底相连接，并接第六MOS管(206)的漏端；第六MOS管(206)的栅极接鉴频鉴相器输出的放电控制端(90)，源极与衬底连接，并接到第七MOS管(207)与第八MOS管(208)的漏极；第七MOS管(207)与第八MOS管(208)的栅极相连，并共同连接到鉴频鉴相器输出的放电控制端(90)；第七MOS管(207)的源极与衬底相连，接到地电压；第八MOS管(208)的源极与衬底相连，接到电荷泵输出接点。

3.如权利要求2所述的抗单粒子辐射的频率产生单元，其特征在于，当鉴频鉴相器输出的充电控制端(80)为低电平时，电荷泵对其输出信号线(100)进行充电，其充电电流值由电荷泵的电流源(209)决定；当鉴频鉴相器输出的放电控制端(90)为低电平时，电荷泵对其输出信号线(100)进行放电，其放电电流值由电荷泵的电流源(209)决定。

4.如权利要求2所述的抗单粒子辐射的频率产生单元，其特征在于，在充电工作关断期间，第三MOS管(203)断开，第四MOS管(204)处于导通状态，此时电荷泵的输出信号线(100)与第三MOS管(203)的漏极是相通的，电荷泵的输出信号线(100)的反偏点是第三MOS管(203)的漏极与衬底形成的；第二MOS管(202)将第三MOS管(203)的衬底与电荷泵的输出信号线(100)连在一起；

当鉴频鉴相器输出的充电控制端(80)为低电平时，第一MOS管(201)导通，第二MOS管(202)断开，第三MOS管(203)导通，第四MOS管(204)导通，形成了电荷泵的充电通道。

5.如权利要求2所述的抗单粒子辐射的频率产生单元，其特征在于，当放电关断期间，鉴频鉴相器输出的放电控制端(90)为低电平，第六MOS管(206)断开，第五MOS管(205)处于导通状态，电荷泵的输出信号线(100)与第六MOS管(206)的漏极是相通的；第八MOS管将第六MOS管(206)的衬底与电荷泵的输出信号线(100)连在一起；鉴频鉴相器输出的放电控制端(90)为高电平时，第七MOS管(207)导通，第八MOS管(208)断开，第五MOS管(205)导通，第六MOS管(206)导通，形成了电荷泵的放电通道。

6.如权利要求1所述的抗单粒子辐射的频率产生单元，其特征在于，基准频率由外部提供，鉴频鉴相器对外部基准频率与反馈频率的频率、相位分别比较，产生控制电荷泵的时序信号，当反馈频率低于基准频率或相位落后于基准频率时，鉴频鉴相器输出的充电控制端(80)将产生低脉冲信号；当反馈频率高于基准频率或相位超前于基准频率时，鉴频鉴相器输出的充电控制端(80)将产生高脉冲信号；实现对低通滤波器的输入节点进行有序的充放电。