CN104678188A - 单粒子瞬态脉冲宽度测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括：控制信号产生电路(101)及至少一级延时比较电路(102)；所述控制信号产生电路(101)具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端；每级所述延时比较电路(102)具有延时信号输入端、使能输入端、延时信号输出端和翻转输出端。采用本发明实现的测量电路，能够对单粒子瞬态脉冲信号的高电平脉冲宽度进行测量，可测脉宽范围大，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及电脉冲宽度测量技术领域，特别涉及一种单粒子瞬态脉冲信号的高电平脉冲宽度测量电路。
背景技术
随着航天电子器件集成度的不断提高，空间辐射已经成为影响航天器可靠性和运行寿命的重要因素。辐射对集成电路的影响主要分为两大类：单粒子效应和总剂量效应。总剂量效应是集成电路长期处在辐射环境中，辐射效果积累所产生的效应；单粒子效应是辐射能量粒子进入集成电路后，辐射效果即时作用所产生的效应。其中单粒子效应可细分为三类：
1、单粒子软错误效应：包括单粒子翻转效应，单粒子瞬变效应，单粒子多翻转效应等，在短时间内对电路节点产生干扰。
2、具有潜在危险性的效应：如单粒子闩锁效应，如不加以控制，可能会导致芯片发生单粒子烧毁。
3、单粒子硬错误效应，如位移损伤等，会使得芯片中的晶体管彻底不能工作。
其中，单粒子瞬变效应是常见的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，通过电离辐射在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、空穴对会在电场的作用下被电路节点吸收，改变节点电平，如果没有反馈回路，那么当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。
为了深入研究单粒子效应的发生机理、规律，测量各种星载电子元器件和集成电路的辐射敏感参数，评价其抗单粒子效应的水平和故障风险，为器件选型和抗辐射加固措施提供依据，需要搭建有效的测量环境，对瞬态脉冲信号宽度等特征进行准确测量。其中测量环境往往选择地面辐照实验，通过模拟产生宇宙射线粒子对待测芯片进行轰击试验，模拟真实的宇宙空间辐射环境。在对脉冲信号宽度进行测量时，根据入射粒子种类、能量等不同，产生的单粒子脉冲信号电平维持时间也不同，脉冲宽度可以从几十皮秒到一千皮秒以上。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瞬态脉冲宽度，要求测量设备的频率必须非常高，这样的高频设备往往国内不能生产，国外也禁止输出，这使得测量成本非常高，实现难度大。如果采用片上电路进行测量，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，因此捕获精度受采样信号的频率和波形影响，实际测量中也难以提供频率极高，波形特点又十分优良的采样信号，使得电路可测范围小，测量精度低。
发明内容
本发明旨在提高测量电路的可测范围和测量精度。
本发明提供一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括：
控制信号产生电路，具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端，当在单粒子脉冲接收端接收到单粒子脉冲信号时，脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号发生翻转，当该单粒子脉冲信号结束时，脉冲结束信号输出端输出的脉冲结束信号发生翻转；
至少一级延时比较电路，每级延时比较电路具有延时信号输入端、使能输入端、延时信号输出端和翻转输出端，其中第一级延时比较电路的延时信号输入端连接控制信号产生电路的脉冲开始信号输出端，从第二级延时比较电路开始，每级延时比较电路的延时信号输入端连接上一级延时比较电路的延时信号输出端，脉冲结束信号输出端连接到所有延时比较电路的使能输入端，延时信号输入端接收的信号经过延时电路延时后由延时信号输出端输出，当使能输入端和延时信号输出端的信号同时有效时，翻转输出端的输出信号发生翻转。
根据本发明提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，通过增加延时比较电路的数目，可增加比较结果的位数，扩大测量范围；通过增大或减小各级延时比较电路中反相器的数目及反相器的尺寸等，能够调节每级比较的测量精度，更好的适应所测单粒子瞬态脉冲的特点，可测脉冲宽度范围大，测量精度高。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的一个实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路结构示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的控制信号产生电路的结构示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的带与门功能的三输入RS锁存器的结构示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的控制信号产生电路的工作波形示意图；
图5为本发明的一个实施例提供的延时比较电路的结构示意图；
图6为本发明的一个实施例提供的延时比较电路的工作波形示意图；
图7为本发明的一个实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路测量一个单粒子瞬态脉冲的整体工作波形示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
图1所示为本发明的一个实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路结构示意图，包括控制信号产生电路101及至少一级延时比较电路102。所述控制信号产生电路101具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端，当在单粒子脉冲接收端接收到单粒子脉冲信号产生电路100发出的单粒子脉冲信号input时，脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号out1发生翻转，当该单粒子脉冲信号结束时，脉冲结束信号输出端输出的脉冲结束信号end发生翻转。根据本发明的实施例，所述控制信号产生电路101还具有复位信号输入端，复位信号输入端连接复位信号reset。
图1中示出延时比较电路102有n级(例如，可以由4级电路构成)。下文中在测量特定宽度范围的单粒子脉冲信号时，采用4级延时比较电路，当然根据测量需要，不限于此。根据本发明的实施例，每级延时比较电路具有延时信号输入端、使能输入端、延时信号输出端和翻转输出端，其中第一级延时比较电路的延时信号输入端连接控制信号产生电路的脉冲开始信号输出端，从第二级延时比较电路开始，每级延时比较电路的延时信号输入端连接上一级延时比较电路的延时信号输出端，脉冲结束信号输出端连接到所有延时比较电路的使能输入端，延时信号输入端接收的信号经过延时电路延时后由延时信号输出端输出，当使能输入端和延时信号输出端的信号同时有效时，翻转输出端的输出信号发生翻转。根据本发明的实施例，所述延时比较电路102还具有复位信号输入端，复位信号输入端连接复位信号reset。
为了测量高电平单粒子瞬态脉冲宽度，本实施例中，设计了如图2所示的控制信号产生电路，所述控制信号产生电路包括或非门基本RS锁存器201，反相器202和带与门功能的三输入RS锁存器203。或非门基本RS锁存器的S输入端和反相器202的输入端接收单粒子脉冲信号input，基本RS锁存器的Q输出端和反相器202的输出端分别连接到三输入RS锁存器的S1，S2输入端(可互换)，基本RS锁存器的Q输出端的输出即为脉冲开始信号输出端，输出脉冲开始信号out1，三输入RS锁存器的Q非输出端的输出即为脉冲结束信号输出端，输出脉冲结束信号end。
所述带与门功能的三输入RS锁存器203的结构示意图如图3所示，该电路由CMOS电路构成，其中R输入端的输入信号同Q非输出端的输出信号进行或非运算，结果为Q输出端的输出信号；S1，S2输入端的输入信号进行与运算，再同Q输出端的输出信号进行或非运算，结果为Q非输出端的输出信号。
参考图2、图3和图4，观察上述控制信号产生电路101的工作波形。图4中从上到下依次为脉冲结束信号end，脉冲开始信号out1，单粒子脉冲信号input，复位信号reset的电压波形。在仿真时刻2ns时，reset信号为高电平，201和203复位，out1信号为低电平，end信号为高电平。仿真时刻6ns时，reset信号恢复为低电平，测量开始。在15ns时，input信号变为高电平，201翻转，out1信号由低电平变为高电平，此时202输出低电平，203不翻转，end信号保持高电平不变。在30ns时，input信号变为低电平，202输出变为高电平，此时out1信号也为高电平，使得203置位，end信号由高电平变为低电平。即15ns时input信号由低变高，使得out1信号由低电平变为高电平，30ns时input信号由高变低，使得end信号由高电平变为低电平。
在本实施例中，各级延时比较电路均采用相同的电路结构尺寸。如图5所示，每级延时比较电路均由带与门功能的三输入RS锁存器503和缓冲器构成。其中，缓冲器由两级反相器级联构成(不限于此)，所用第一反相器501与第一反相器502同101中所用反相器202相同，带与门的三输入RS锁存器503同101中所用锁存器203也相同(根据实际需要，尺寸也可不同)。延时比较电路的延时信号输入端连接第一反相器501的输入端，501的输出端连接第二反相器502的输入端，502的输出端作为延时信号输出端，该输出端输出的信号与脉冲结束信号end分别连接到503的S1，S2输入端(二者可互换)，503的R输入端连接复位信号reset，503的Q输出端即为延时比较电路的翻转输出端，输出out信号，例如out2/out3/…/outn信号。
参考图5和图6，观察上述延时比较电路102的工作波形。图6中从上到下依次为翻转输出端的输出信号out，延时信号输入端的输入信号in，延时信号输出端的输出信号buffer_out，脉冲结束信号end，复位信号reset的电压波形。在仿真时刻2ns时，reset信号变为高电平，in信号为低电平，end信号为高电平，此时503复位，out信号为低电平。在5.284ns时，in信号由低电平变为高电平，该信号输入给延时电路，在5.379ns时(0.095ns后)，buffer_out信号变为高电平，由于end信号在5.619ns时才变为低电平，存在约240ps时间，满足buffer_out信号和end信号均为高电平，从而驱动503翻转，使得out信号变为高电平。
由于缓冲器的存在，使得buffer_out信号的变化晚于in信号的变化，且对于各级延时比较电路，end信号是统一的，故buffer_out信号和end信号均为高电平的时间也逐级递减，因此只要延时比较电路的数目足够多，延时电路的延时时间足够长，待测单粒子脉冲就只能驱动有限个延时比较电路翻转。并且单粒子脉宽越宽，驱动翻转的延时比较电路数目就越多，因此可根据各级翻转输出端的输出电平反推待测单粒子脉宽。
在实际应用过程中，可以根据待测单粒子脉宽的特点，增加或减少各级缓冲器的尺寸，调节每级延时时间，控制每级的测量精度。也可以通过增加延时比较电路的级数，扩大测试范围。
如图7所示为本实施例中单粒子瞬态脉冲宽度测量电路测量一个单粒子瞬态脉冲的整体工作波形示意，从上至下依次为各级延时比较电路翻转输出端输出信号out5/…/out1，脉冲结束信号end，单粒子脉冲信号input和复位信号reset的电压波形。其中out2/…/out5、分别为第1至第4级延时比较电路的翻转输出端输出信号。在本实施例中，待测input信号高电平脉冲宽度为300ps。电路由CMOS器件构成，其中各pmos管宽/长均为2.3微米/0.18微米，nmos管宽/长为0.89微米/0.18微米。
仿真时刻2ns时，reset信号变为1(0代表低电平，1代表高电平)，控制信号产生电路和各级延时比较电路复位，end信号为1，输出信号
out1至out5为0。仿真时刻6ns时，reset信号变为0，测量开始。仿真时刻15ns时，input信号由0变为1，输出信号out1变为1，此时out1和end输入给第一级延时比较电路，驱动out2翻转，由于每经过一级延时比较电路，该级buffer_out信号同end信号均为高电平的时间越来越短，因此当输入为300ps时，可以驱动out2翻转，而out3/out4/out5无法翻转。
从上述测量过程可以看出，输入脉冲宽度越宽，所能驱动翻转的延时比较电路数目越多。在设计电路时，可以通过重复改变输入脉冲宽度，得到脉冲宽度与延时比较电路翻转个数对应表格，如下表所示，其中0表示输出低电平，即输出不翻转，1表示输出高电平，即输出发生翻转。据此即可根据实际延时比较电路翻转输出端输出情况，反推出所测脉冲宽度的范围。在实际电路设计过程中，可以根据测量范围和测量精度要求，通过尝试不同的电路尺寸和电路结构，使得各级延时比较电路的输出翻转情况同脉冲宽度之间的对应关系更加符合设计要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括：
控制信号产生电路(101)，具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端，当在单粒子脉冲接收端接收到单粒子脉冲信号(input)时，脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号(out1)发生翻转，当该单粒子脉冲信号结束时，脉冲结束信号输出端输出的脉冲结束信号(end)发生翻转；
至少一级延时比较电路(102)，每级延时比较电路具有延时信号输入端、使能输入端、延时信号输出端和翻转输出端，其中第一级延时比较电路的延时信号输入端连接控制信号产生电路的脉冲开始信号输出端，从第二级延时比较电路开始，每级延时比较电路的延时信号输入端连接上一级延时比较电路的延时信号输出端，脉冲结束信号输出端连接到所有延时比较电路的使能输入端，延时信号输入端接收的信号经过延时比较电路延时后由延时信号输出端输出，当使能输入端和延时信号输出端的信号同时有效时，翻转输出端的输出信号(out2/out3/…/outn)发生翻转。
2.根据权利要求1所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其中所述控制信号产生电路(101)包括或非门基本RS锁存器(201)，反相器(202)和带与门功能的三输入RS锁存器(203)，其中，或非门基本RS锁存器(201)的S输入端和反相器(202)的输入端接收单粒子脉冲信号(input)，基本RS锁存器的Q输出端和反相器(202)的输出端分别连接到三输入RS锁存器的S1，S2输入端，基本RS锁存器的Q输出端即为脉冲开始信号输出端，输出脉冲开始信号(out1)，三输入RS锁存器的Q非输出端即为脉冲结束信号输出端，输出脉冲结束信号(end)。
3.根据权利要求1或2所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其中，在所述控制信号产生电路(101)中，脉冲开始信号(out1)的翻转为从低电平到高电平的翻转，脉冲结束信号(end)的翻转为从高电平到低电平的翻转。
4.根据权利要求1所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其中，每 级所述延时比较电路(102)都包括带与门功能的三输入RS锁存器(503)和缓冲器，缓冲器作为延时电路，缓冲器的输出端连接到三输入RS锁存器(503)的S1，S2输入端，三输入RS锁存器的Q输出端即为翻转输出端。
5.根据权利要求4所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其中所述缓冲器包括偶数个反相器的级联。
6.根据权利要求2或4所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其中，所述RS锁存器和反相器由CMOS电路构成，并且通过控制NMOS管和PMOS管的宽长来控制延时时间。
7.根据权利要求2或4所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其中，所述三输入RS锁存器为带与门功能的RS锁存器，当R端为低电平时，且仅当S1，S2输入端均为高电平时，Q输出端为高电平，Q非输出端为低电平，否则输出端电平保持不变。
8.根据权利要求1、2或4所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其中，所述控制信号产生电路(101)和延时比较电路(102)还包括复位信号输入端，所述复位信号输入端连接到各个RS锁存器的R输入端，用于接收复位信号(reset)，复位信号高电平有效，将脉冲开始信号输出端复位到低电平，将脉冲结束信号输出端复位到高电平，将翻转输出端复位到低电平。
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