CN105675984A - 一种脉冲波形测试电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脉冲波形测试电路，包括：用于收集单粒子轰击产生单粒子瞬态脉冲的脉冲收集模块；与所述脉冲收集模块相连，用于检测所述单粒子瞬态脉冲在不同电压值时的脉冲宽度，并产生多个相应的脉冲信号的脉冲宽度检测模块；与所述脉冲宽度检测模块相连，用于将不同电压值时检测到的脉冲宽度转化为数字信号的脉冲捕捉模块。本发明的脉冲波形测试电路测量出了单粒子效应的真实波形，可以以此建立更精准的单粒子效应瞬态电流脉冲模型，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。

Description

一种脉冲波形测试电路
技术领域
本发明涉及单粒子效应研究领域，特别是涉及一种脉冲波形测试电路。
背景技术
单粒子效应是指单个高能粒子穿过微电子器件的灵敏区时造成器件状态的非正常改变的一种辐射效应，包括单粒子翻转(Singleeventupset)、单粒子锁定(Singleeventlatchup)、单粒子功能中断、单粒子瞬态脉冲(Signaleventtransient，SET)、单粒子多位翻转、单粒子烧毁(Singleeventburnout)、单粒子栅击穿(Singleeventgaterupture)、单粒子扰动及单粒子硬错误等。
单粒子效应是诱发电子设备异常的主要辐射效应之一，在集成电路中发生频率最高的是单粒子瞬时脉冲效应和单粒子翻转效应。瞬时脉冲在组合逻辑路径上产生并被传播，称为SET，SET导致逻辑状态翻转，使得电路的逻辑状态发生错误，严重影响集成电路的功能。因此需要对单粒子瞬态脉冲进行捕获，以此对集成电路中的单粒子效应进行评价和研究，以解决单粒子瞬态脉冲对集成电路的影响。
如图1所示为现有技术中的一种单粒子脉冲宽度测量电路1，通过脉冲产生模块在待测辐射环境中形成原始单粒子瞬态脉冲；通过脉冲展宽模块将原始单粒子瞬态脉冲的展宽延时量；再通过脉冲捕捉模块将展宽后的单粒子瞬态脉冲转化为二进制码；再通过单粒子瞬态脉冲展宽后的宽度以及延时量确定所述单粒子瞬态脉冲的宽度。可有效解决单粒子瞬态脉冲宽度太窄而难以测量的难题，减小测试结构对工艺、系统、测试设备的依赖性。但是上述方法只能测量单粒子瞬态脉冲的宽度，而无法有效还原单粒子瞬态脉冲的波形，在模型结构上还存在一些偏差，因此无法对单粒子瞬态脉冲进行精确建模。
因此如何对单粒子瞬态脉冲进行精确的建模，进而更有效地解决单粒子瞬态脉冲对集成电路的影响已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种脉冲波形测试电路，用于解决现有技术中对单粒子瞬态脉冲的建模不精确等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种脉冲波形测试电路，所述脉冲波形测试电路至少包括：
脉冲收集模块，用于收集单粒子轰击信息，产生单粒子瞬态脉冲；
脉冲宽度检测模块，与所述脉冲收集模块相连，用于检测所述单粒子瞬态脉冲在不同电压值时的脉冲宽度，并产生相应宽度的脉冲信号；
脉冲捕捉模块，与所述脉冲宽度检测模块相连，用于将不同电压值时检测到的脉冲宽度转化为数字信号。
优选地，所述脉冲收集模块为单个反相器。
优选地，所述脉冲宽度检测模块包括多个不同阈值的缓冲器，通过各缓冲器分别检测所述单粒子瞬态脉冲在不同电压值时的脉冲宽度。
更优选地，所述缓冲器包括串联的第一反相器和第二反相器，所述第一反相器的翻转电平为需要检测的脉冲宽度所处的电压值，所述第二反相器的翻转电平为电源电压的一半。
更优选地，所述第一反相器包括PMOS和NMOS，PMOS与NMOS的漏端相连作为输出端，PMOS和NMOS的栅端相连作为输入端，PMOS的源端连接电源电压，NMOS的源端接地；通过调节PMOS、NMOS的阈值以及宽长比来设定所述第一反相器的翻转电平。
更优选地，所述脉冲捕捉模块包括多个脉冲宽度转换器，分别与不同阈值的缓冲器连接，对不同电压值时的脉冲宽度进行捕捉；各脉冲宽度转换器包括触发控制单元、延时单元链路以及读出单元，当未接收到所述单粒子瞬态脉冲时，所述触发控制单元控制所述延时单元链路中的延时单元逐级反相传输，当接收到所述单粒子瞬态脉冲时，所述触发控制单元控制所述延时单元链路中的延时单元锁存并通过所述读出单元将各延时单元的存储状态输出。
更优选地，所述触发控制单元包括与或门、以及RS触发器；所述与或门的一端连接所述脉冲宽度检测模块的输出端、另一端连接一复位信号；所述RS触发器的置位端连接所述复位信号、复位端连接所述与或门的输出端，所述RS触发器的正相输出端通过第一输出级缓冲器输出第一控制信号，所述RS触发器的反相输出端通过第二输出级缓冲器输出第二控制信号。
更优选地，所述延时单元链路包括依次串联的多个延时单元，所述延时单元包括第一传输门、第二传输门、第一反相器以及第二反相器；所述第一传输门的一端连接所述脉冲宽度检测模块、另一端连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端、作为所述延时单元的输出端，所述第二反相器的输出端连接所述第二传输门的一端，所述第二传输门的另一端连接于所述第一传输门与所述第一反相器之间。
更优选地，所述读出单元包括多个DFF触发器，各DFF触发器的输入端连接各延时单元，时钟端连接同一时钟信号，将各延时单元的状态并行输出。
更优选地，所述读出单元包括多个DFF触发器，各DFF触发器的输入端连接各延时单元及前一级DFF触发器的输出端，时钟端连接同一时钟信号，将各延时单元的状态串行输出。
优选地，还包括一脉冲波形还原模块，用于将不同电压值时的脉冲宽度进行整合以对所述单粒子瞬态脉冲的波形进行还原。
如上所述，本发明的脉冲波形测试电路，具有以下有益效果：
本发明的脉冲波形测试电路测量出了单粒子效应的真实波形，可以以此建立更精准的单粒子效应瞬态电流脉冲模型，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。
附图说明
图1显示为现有技术中的单粒子脉冲宽度测量方法的原理示意图。
图2显示为本发明的脉冲波形测试电路的示意图。
图3显示为本发明的脉冲收集模块的示意图。
图4显示为本发明的脉冲收集模块产生的单粒子瞬态脉冲的波形示意图。
图5显示为本发明的脉冲宽度检测模块的示意图。
图6显示为本发明的脉冲捕捉模块的示意图。
图7显示为本发明的脉冲宽度转换器的示意图。
图8显示为本发明的脉冲捕捉模块中的读出单元的另一结构示意图。
元件标号说明
1单粒子脉冲宽度测量电路
2脉冲波形测试电路
21脉冲收集模块
22脉冲宽度检测模块
221～224第一～第四缓冲器
225第一反相器
226第二反相器
23脉冲捕捉模块
231～234第一～第四脉冲宽度转换器
2311触发控制单元
2312延时单元链路
2313读出单元
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示，本发明提供一种脉冲波形测试电路2，所述脉冲波形测试电路2至少包括：脉冲收集模块21、脉冲宽度检测模块22、脉冲捕捉模块23以及脉冲波形还原模块24。
如图2所示，所述脉冲收集模块21在待测辐射环境中收集单粒子轰击信息，产生单粒子瞬态脉冲SETpulse。
具体地，如图3所示，在本实施例中，所述脉冲收集模块21为由待测器件构成的单个反相器，包括一NMOS及一PMOS，NMOS和PMOS的漏端相连作为输出端、栅端相连作为输入端，NMOS的源端接地GND，PMOS的源端连接电源电压VDD。所述脉冲收集模块21的输入端连接固定电平，在本实施例中，所述固定电平为参考地GND。高电平状态时NMOS导通，PMOS截止，则此时若单粒子轰击PMOS的漏端，可产生单粒子瞬态脉冲SETpulse；低电平状态时PMOS导通，NMOS截止，则此时若单粒子轰击NMOS的漏端，可产生所述单粒子瞬态脉冲SETpulse。在本实施例中，所述单粒子瞬态脉冲SETpulse的波形如图4所示。
如图2所示，所述脉冲宽度检测模块22连接于所述脉冲收集模块21的输出端，用于检测所述单粒子瞬态脉冲SETpulse在不同电压值时的脉冲宽度，并产生相应宽度的脉冲信号。
具体地，如图5所示，所述脉冲宽度检测模块22包括多个不同阈值的缓冲器，通过各缓冲器分别检测所述单粒子瞬态脉冲SETpulse在不同电压值时的脉冲宽度。在本实施例中，设置4个不同阈值的缓冲器，分别为：阈值为0.4V的第一缓冲器221、阈值为0.5V的第二缓冲器222、阈值为0.7V的第三缓冲器223以及阈值为0.8V的第四缓冲器224，本实施例以电源电压1.2V、正常反相器的阈值0.6V为基础设定。缓冲器的数量及其阈值的设定可根据实际情况做具体选择，应覆盖整个所述单粒子瞬态脉冲的幅值范围，不以本实施例为限，缓冲器的数量越多，还原的所述单粒子瞬态脉冲SETpulse越准确。
更具体地，各缓冲器包括串联的第一反相器225和第二反相器226，所述第一反相器225的翻转电平为需要检测的脉冲宽度所处的电压值，所述第二反相器226的翻转电平为电源电压的一半。在本实施例中，所述第二反相器226的翻转电平为0.6V。所述第一反相器225包括PMOS和NMOS，PMOS与NMOS的漏端相连作为输出端，PMOS和NMOS的栅端相连作为输入端，PMOS的源端连接电源电压，NMOS的源端接地；通过调节PMOS、NMOS的阈值以及宽长比来设定所述第一反相器225的翻转电平。在本实施例中，以高阈值的PMOS与低阈值的NMOS组合，选用低宽长比的PMOS与NMOS可获得0.4V处翻转的反相器，与0.6V正常反相器串联，输出脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.4V处宽度第一矩形脉冲pulse1；以正常阈值的PMOS与正常阈值的NMOS组合，选用正常宽长比的PMOS与NMOS可获得0.5V处翻转的反相器，与0.6V正常反相器串联，输出脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.5V处宽度的第二矩形脉冲pulse2；以正常阈值的PMOS与正常阈值VT的NMOS组合，选用正常宽长比的PMOS与NMOS可获得0.7V处翻转的反相器，与0.6V正常反相器串联，输出脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.7V处宽度的第三矩形脉冲pulse3；以低阈值的PMOS与高阈值的NMOS组合，选用高宽长比的PMOS与NMOS可获得0.8V处翻转的反相器，与0.6V正常反相器串联，输出脉冲宽度等于瞬态电压脉冲0.8V处宽度的第四矩形脉冲pulse4。各矩形个脉冲的宽度与当前电压值时所述单粒子瞬态脉冲SETpulse的脉冲宽度相等。其中，高阈值、低阈值、正常阈值、高宽长比、低宽长比、正常宽长比的具体数值选择根据具体情况做设定，本领域的技术人员通过PMOS和NMOS的阈值和宽长比的选择均可获取不同阈值的缓冲器。
如图2所示，所述脉冲捕捉模块23连接于所述脉冲宽度检测模块22的输出端，用于将不同电压值时检测到的脉冲宽度转化为数字信号。
具体地，如图6所示，所述脉冲捕捉模块23包括多个脉冲宽度转换器，分别与不同阈值的缓冲器连接，对不同电压值时的脉冲宽度进行捕捉。在本实施例中，包括4个脉冲宽度转换器，其中，第一脉冲宽度转换器231接收所述第一矩形脉冲pulse1，将所述单粒子瞬态脉冲SETpulse在0.4V时的脉冲宽度转换为第一数字信号PulseWidth1；第二脉冲宽度转换器232接收所述第二矩形脉冲pulse2，将所述单粒子瞬态脉冲SETpulse在0.5V时的脉冲宽度转换为第二数字信号PulseWidth2；第三脉冲宽度转换器233接收所述第三矩形脉冲pulse3，将所述单粒子瞬态脉冲SETpulse在0.7V时的脉冲宽度转换为第三数字信号PulseWidth3；第四脉冲宽度转换器234接收所述第四矩形脉冲pulse4，将所述单粒子瞬态脉冲SETpulse在0.8V时的脉冲宽度转换为第四数字信号PulseWidth4。如图7所示，各脉冲宽度转换器包括触发控制单元2311、延时单元链路2312以及读出单元2313，当未接收到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse时，所述触发控制单元2311控制所述延时单元链路2312中的延时单元逐级反相传输，当接收到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse时，所述触发控制单元2311控制所述延时单元链路2312中的延时单元锁存并通过所述读出单元2313将各延时单元的存储状态输出。所述延时单元链路2312受到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse的影响，其中部分延时单元的锁存状态会发生翻转，通过比较初始状态时各延时单元的锁存状态及受到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse影响时各延时单元的锁存状态可获知当前电压值时所述单粒子瞬态脉冲SETpulse的脉冲宽度。具体地，当前电压下单粒子瞬态脉冲宽度可计算为：
TW＝ΔT×NFF±ΔT/2
其中，ΔT为一级延时单元的延时时间，NFF为输出信号受脉冲影响的D触发器的个数，脉冲宽度的测量精度为±半个延时单元的延时时间。
更具体地，如图7所示为所述第一脉冲宽度转换器231的结构示意图，所述第二～第四脉冲宽度转换器的结构与所述第一脉冲宽度转换器231相同，仅以第一脉冲宽度转换器231为例。所述触发控制单元2311包括与或门、以及RS触发器，所述与或门的一端通过延时器连接所述第一矩形脉冲pulse1、另一端连接一复位信号Reset；所述RS触发器的置位端S连接所述复位信号Reset、复位端R连接所述与或门的输出端，所述RS触发器的正相输出端通过第一输出级缓冲器输出第一控制信号Pass，所述RS触发器的反相输出端通过第二输出级缓冲器输出第二控制信号Hold，在本实施例中，所述第一输出级缓冲器级所述第二输出级缓冲器为多级串联的反相器，其驱动能力逐级翻倍。在本实施例中，当未接收到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse时，所述第一控制信号Pass为高电平、所述第二控制信号Hold为低电平；当接收到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse时，所述第一控制信号Pass为低电平、所述第二控制信号Hold为高电平；当一次脉冲波形测试结束后，所述复位信号Reset起效，将所述第一控制信号Pass复位为高电平、所述第二控制信号Hold复位为低电平。
如图7所示，所述延时单元链路2312包括依次串联的多个延时单元，在本实施例中，包括100级延时单元的串联，图中仅显示4级，其余96级省略，可根据实际需要设定延时单元的级数，不以本实施例为限。具体地，所述延时单元包括第一传输门、第二传输门、第一反相器以及第二反相器；所述第一传输门的一端连接所述第一矩形脉冲pulse1、另一端连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端、作为所述延时单元2312a的输出端，所述第二反相器的输出端连接所述第二传输门的一端，所述第二传输门的另一端连接于所述第一传输门与所述第一反相器之间。当未接收到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse时，所述第一控制信号Pass高电平，所述第二控制信号Hold为低电平，所述第一传输门导通，所述第二传输门关断，所述延时单元链路2312相当于100级反相器的串联链路，每经过一级反相器，输出信号反相；当接收到所述单粒子瞬态脉冲SETpulse时，所述所述第一控制信号Pass低电平，所述第二控制信号Hold为高电平，所述第一传输门关断，所述第二传输门导通，所述延时单元链路2312相当于100级断开的锁存器，保存反相器的状态。如图7所示，所述读出单元2313包括多个DFF触发器，各DFF触发器的输入端连接各延时单元，时钟端连接同一时钟信号CLK，所述读出单元2313将100级延时单元的状态并行输出。如图8所示，所述读出单元2313也可以是并串转换电路，包括多个DFF触发器，各DFF触发器的输入端连接各延时单元及前一级DFF触发器的输出端，时钟端连接同一时钟信号CLK，所述读出单元2313将100级延时单元的状态串行输出。读出单元的结构多样，不以本实施例为限。
如图2所示，还包括一脉冲波形还原模块24，用于将不同电压值时的脉冲宽度进行整合以对所述单粒子瞬态脉冲SETpulse的波形进行还原。
如上所述，本发明的脉冲波形测试电路，具有以下有益效果：
本发明的脉冲波形测试电路测量出了单粒子效应的真实波形，可以以此建立更精准的单粒子效应瞬态电流脉冲模型，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。
综上所述，本发明提供一种脉冲波形测试电路，至少包括：用于收集单粒子轰击信息，产生单粒子瞬态脉冲的脉冲收集模块；与所述脉冲收集模块相连，用于检测所述单粒子瞬态脉冲在不同电压值时的脉冲宽度，并产生多个相应的脉冲信号的脉冲宽度检测模块；与所述脉冲宽度检测模块相连，用于将不同电压值时检测到的脉冲宽度转化为数字信号的脉冲捕捉模块。本发明的脉冲波形测试电路测量出了单粒子效应的真实波形，可以以此建立更精准的单粒子效应瞬态电流脉冲模型，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种脉冲波形测试电路，其特征在于，所述脉冲波形测试电路至少包括：
脉冲收集模块，用于收集单粒子轰击信息，产生单粒子瞬态脉冲；
脉冲宽度检测模块，与所述脉冲收集模块相连，用于检测所述单粒子瞬态脉冲在不同电压值时的脉冲宽度，并产生相应宽度的脉冲信号；
脉冲捕捉模块，与所述脉冲宽度检测模块相连，用于将不同电压值时检测到的脉冲宽度转化为数字信号。
2.根据权利要求1所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述脉冲收集模块为单个反相器。
3.根据权利要求1所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述脉冲宽度检测模块包括多个不同阈值的缓冲器，通过各缓冲器分别检测所述单粒子瞬态脉冲在不同电压值时的脉冲宽度。
4.根据权利要求3所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述缓冲器包括串联的第一反相器和第二反相器，所述第一反相器的翻转电平为需要检测的脉冲宽度所处的电压值，所述第二反相器的翻转电平为电源电压的一半。
5.根据权利要求4所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述第一反相器包括PMOS和NMOS，PMOS与NMOS的漏端相连作为输出端，PMOS和NMOS的栅端相连作为输入端，PMOS的源端连接电源电压，NMOS的源端接地；通过调节PMOS、NMOS的阈值以及宽长比来设定所述第一反相器的翻转电平。
6.根据权利要求3所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述脉冲捕捉模块包括多个脉冲宽度转换器，分别与不同阈值的缓冲器连接，对不同电压值时的脉冲宽度进行捕捉；各脉冲宽度转换器包括触发控制单元、延时单元链路以及读出单元，当未接收到所述单粒子瞬态脉冲时，所述触发控制单元控制所述延时单元链路中的延时单元逐级反相传输，当接收到所述单粒子瞬态脉冲时，所述触发控制单元控制所述延时单元链路中的延时单元锁存并通过所述读出单元将各延时单元的存储状态输出。
7.根据权利要求6所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述触发控制单元包括与或门、以及RS触发器；所述与或门的一端连接所述脉冲宽度检测模块的输出端、另一端连接一复位信号；所述RS触发器的置位端连接所述复位信号、复位端连接所述与或门的输出端，所述RS触发器的正相输出端通过第一输出级缓冲器输出第一控制信号，所述RS触发器的反相输出端通过第二输出级缓冲器输出第二控制信号。
8.根据权利要求6所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述延时单元链路包括依次串联的多个延时单元，所述延时单元包括第一传输门、第二传输门、第一反相器以及第二反相器；所述第一传输门的一端连接所述脉冲宽度检测模块、另一端连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端、作为所述延时单元的输出端，所述第二反相器的输出端连接所述第二传输门的一端，所述第二传输门的另一端连接于所述第一传输门与所述第一反相器之间。
9.根据权利要求6所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述读出单元包括多个DFF触发器，各DFF触发器的输入端连接各延时单元，时钟端连接同一时钟信号，将各延时单元的状态并行输出。
10.根据权利要求6所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：所述读出单元包括多个DFF触发器，各DFF触发器的输入端连接各延时单元及前一级DFF触发器的输出端，时钟端连接同一时钟信号，将各延时单元的状态串行输出。
11.根据权利要求1所述的脉冲波形测试电路，其特征在于：还包括一脉冲波形还原模块，用于将不同电压值时的脉冲宽度进行整合以对所述单粒子瞬态脉冲的波形进行还原。
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