CN110146746B - 一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置及方法，该装置包括：靶电路模块组，用于按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲；脉冲调理模块，用于将产生的单粒子瞬态脉冲进行调理，输出调理后的脉冲；压控振荡器，用于根据脉冲处理模块输出的不同脉冲输出不同频率的波形；测试模块，用于检测压控振荡器的输出波形，输出给波形分析计算模块；波形分析计算模块，用于接收压控振荡器的输出波形进行分析，根据输出波形的波动状态以及脉冲调理模块的输入输出信号关系计算出单粒子瞬态脉冲的参数并输出。本发明具有结构简单紧凑、占用面积小、功耗低、能够测试脉冲幅度且测量量程宽以及测量精度高等优点。

Description

一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置、方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置、方法。

背景技术

在太空中工作的基于体硅工艺的集成电路容易受空间粒子轰击而产生单粒子瞬态效应，为抑制该单粒子效应，通常会用到不少屏蔽技术，然而屏蔽技术的使用会导致芯片的性能下降或者面积增大等众多问题，以及为了满足对更高集成度、更多功能以及更低功耗集成电路的需求，目前集成电路的特征尺寸和工作电压在不断缩减，导致电路的辐照敏感度也急剧增加，而不同工艺尺寸下均需要根据其工艺特性设计不同抗辐射加固电路。若能够提前测试出相应的单粒子瞬态电流的参数，如幅度大小和持续时间，则可以为后续加固提供具体的参考余量，提前测试出单粒子瞬态参数亦为抑制上述单粒子效应最为合理、有效的方式，因此测试单粒子效应产生的脉冲的宽度幅度和时间是十分必要的。

针对单粒子效应脉冲的测试，目前均是基于数字电路延时链的方法，即通过由一条由简单逻辑门组成的长链以及相应的触发器链构成数字电路延时链，使用该数字电路延时链对单粒子效应瞬态脉冲进行测试，但是该类方法存在以下问题：

1、需要使用大量的逻辑门组成的长链以及触发器链，使得占用面积以及功耗大；

2、测试量程受延时链的限制，若要获得高的测量量程，则需要增加延时链长度，同时需要增加大量的触发器以记录测量波形，会进一步增加测试设备的面积以及功耗；

3、测试精度受延时链最小单元限制，因而对脉冲时间的测试精度不高；

4、仅能够简单的测试脉冲宽度，无法测量脉冲幅度，不能满足脉冲幅度测量需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、占用面积小、功耗低、能够测试脉冲幅度且测量量程以及测量精度高的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，以及实现操作简单、测试量程宽以及测试精度高的单粒子瞬态参数测试方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，包括：

靶电路模块组，用于按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲；

脉冲调理模块，用于输入所述靶电路模块组产生的单粒子瞬态脉冲进行调理，输出调理后的脉冲；

压控振荡器，用于根据所述脉冲处理模块输出的不同脉冲输出不同频率的波形；

测试模块，用于检测所述压控振荡器的输出波形，输出给波形分析计算模块；

波形分析计算模块，用于接收所述压控振荡器的输出波形进行分析，根据所述压控振荡器输出波形的波动状态以及所述脉冲调理模块的输入输出信号关系计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数并输出。

作为本发明装置的进一步改进：所述脉冲调理模块包括限幅电路，用于将所述单粒子瞬态脉冲的幅度压缩至指定范围内以及将脉冲宽度延时。

作为本发明装置的进一步改进：所述限幅电路包括第一电容C1、第二电容C2以及第一电阻R1，所述第一电容C1与第一电阻R1串联连接，所述第二电容C2并联连接在所述第一电容C1的两端。

作为本发明装置的进一步改进：所述压控振荡器为电感型压控振荡器。

作为本发明装置的进一步改进：所述靶电路模块组包括多个用于产生不同类型脉冲的靶电路，每个所述靶电路中设置有不同宽长比的NMOS管和/或PMOS管，各所述靶电路通过开关控制接入。

作为本发明装置的进一步改进：所述测试模块在非辐照条件下检测并记录所述压控振荡器正常的输出频率，在辐照条件下检测并记录所述压控振荡器频率波动输出偏差的时刻波形，以及记录所述压控振荡器恢复正常时的工作频率。

作为本发明装置的进一步改进：所述波形分析计算模块包括幅度计算单元以及脉宽计算单元，所述幅度计算单元根据所述压控振荡器的输出波形的频率波动状态计算出所述脉冲调理模块输出脉冲的幅度，并根据所述脉冲调理模块的输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的幅度，所述脉宽计算单元根据所述压控振荡器恢复正常状态的恢复时间计算出所述脉冲调理模块输出脉冲的脉宽，并根据所述脉冲调理模块的输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。

本发明进一步提供一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试方法，步骤包括：

S1.按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲；

S2.输入产生的所述单粒子瞬态脉冲进行调理，输出调理后的脉冲；

S3.通过压控振荡器根据所述步骤S2输出的不同脉冲输出不同频率的波形；

S4.检测所述压控振荡器的输出波形并输出；

S5.接收所述压控振荡器的输出波形进行分析，根据所述压控振荡器输出波形的波动状态以及所述步骤S2的输入输出信号关系计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数并输出。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，具体将所述单粒子瞬态脉冲的幅度压缩至指定范围内以及将脉冲宽度延时。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5中，根据所述压控振荡器的输出波形的频率波动状态计算出所述步骤S2输出脉冲的幅度，并根据所述步骤S2输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的幅度，以及根据所述压控振荡器恢复正常状态的恢复时间计算出所述步骤S2输出脉冲的脉宽，并根据所述步骤S2输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明单粒子瞬态参数测试装置及方法，基于压控振荡器可以提前测试出单粒子瞬态脉宽和幅度等参数，为后续加固设计提供参考，且压控振荡器抖动性能优秀、结构简单，由简单的三级反向器构成的环振即可实现压控振荡器，而不需要大量的逻辑门长链以及相应的触发器链，占用面积小、静态功耗低，同时结合压控振荡器输出波形的波动状态以及脉冲调理模块的输入输出信号关系计算出单粒子瞬态脉冲的参数，可以实现宽量程高精度的单粒子瞬态参数测试。

2、本发明单粒子瞬态参数测试装置及方法，通过将产生的单粒子瞬态脉冲的幅度压缩至一定范围以及延时，使得超大超宽脉冲也能够控制在压控振荡器的工作电压范围内，可以满足各种宽范围的测量量程需求。

3、本发明单粒子瞬态参数测试装置及方法，首先由压控振荡器输出波形的波动状态计算得到限幅电路输出脉冲的参数，再利用限幅电路的输入输出信号关系计算出真正的单粒子瞬态脉冲的参数，在实现宽量程的基础上，能够确保测量精度。

4、本发明单粒子瞬态参数测试装置及方法，通过根据压控振荡器电压转换到频率的增益，再把电压幅值的波动转换成频率的波动，由波动状态计算出脉冲的幅度，结合压控振荡器的大增益特性可以实现高精度的幅度测试。

附图说明

图1是本实施例宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置的结构示意图。

图2是本实施例单粒子瞬态参数测试装置的具体电路结构示意图。

图3是本实施例中限幅电路的电路结构示意图。

图4是本实施例中靶电路模块组的电路结构示意图。

图例说明：1、靶电路模块组；2、脉冲调理模块；3、压控振荡器；4、测试模块；5、波形分析计算模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置包括：

靶电路模块组1，用于按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲；

脉冲调理模块2，用于输入靶电路模块组1产生的单粒子瞬态脉冲进行调理，输出调理后的脉冲；

压控振荡器3，用于根据脉冲处理模块2输出的不同脉冲输出不同频率的波形；

测试模块4，用于检测压控振荡器3的输出波形，输出给波形分析计算模块5；

波形分析计算模块5，用于接收压控振荡器3的输出波形进行分析，根据压控振荡器3输出波形的波动状态以及脉冲调理模块2的输入输出信号关系计算出单粒子瞬态脉冲的参数并输出。

本实施例基于压控振荡器构建一套单粒子瞬态参数测试装置，可以针对某种具体的工艺提前测试出单粒子瞬态脉宽和幅度等参数，为后续加固设计提供参考，且压控振荡器抖动性能优秀、结构简单，由简单的三级反向器构成的环振即可实现压控振荡器，而不需要大量的逻辑门长链以及相应的触发器链，因而占用面积小、静态功耗低，同时本实施例通过将单粒子瞬态脉冲接入压控振荡器3前进行调理，使得各类型脉冲均能够在测量范围内，可以有效增加测量量程，解决了传统测试方式中测量量程有限的问题，结合压控振荡器3输出波形的波动状态以及脉冲调理模块2的输入输出信号关系可以快速、精确的计算出单粒子瞬态脉冲的参数，从而结合压控振荡器的大增益特性可以实现宽量程高精度的单粒子瞬态参数测试。

本实施例中，脉冲调理模块2具体包括限幅电路，用于将单粒子瞬态脉冲的幅度压缩至指定范围内以及将脉冲宽度延时。通过限幅电路可以将靶电路模块组1输出的各类型脉冲的幅度均压缩至一定范围，使得超大超宽脉冲也能够控制在压控振荡器3的工作电压范围内，满足宽范围的测量量程需求。在具体应用实施例中，限幅电路具体采用无源方式。

如图3所示，限幅电路具体包括第一电容C1、第二电容C2以及第一电阻R1，第一电容C1与第一电阻R1串联连接，第二电容C2并联连接在第一电容C1的两端，通过上述限幅电路可以限制脉冲的最高幅度，同时将脉冲宽度延时，且由于第一电容C1、第二电容C2的电容值以及第一电阻R1的阻值为确定值，限幅电路的输入信号与输出信号之间具有确定的函数关系，即输入输出信号关系是确定的，本实施例首先由压控振荡器3输出波形的波动状态计算得到限幅电路输出脉冲的参数，再利用限幅电路的输入输出信号关系计算出真正的单粒子瞬态脉冲的参数，在实现宽量程的基础上，能够确保测量精度，实现宽量程高精度测量。

本实施例中，压控振荡器3具体采用电感型压控振荡器，电感型压控振荡抖动很小且输出频率精度非常高，可以进一步提高测量精度。本实施例进一步对压控振荡器3进行抗辐射加固设计，使得在所需辐照指标下不发生单粒子效应，然后对靶电路模块组1进行改造，使其可以在不同辐照条件下，产生各种不同幅度和脉宽的单粒子瞬态的靶电路。

如图4所示，本实施例中靶电路模块组1具体包括多个用于产生不同类型脉冲的靶电路，每个靶电路中设置有不同宽长比的NMOS管(NM1～NMn)、PMOS管(PM1～PMn)，由各不同宽长比的NMOS管(NM1～NMn)和PMOS管(PM1～PMn)来测试不同类型管子产生的单粒子瞬态脉冲，各靶电路进一步通过开关组SP1～SPn、SN1～SNn控制接入，通过开关组的设置可以隔离各靶电路相互之间的影响。可以理解的是，单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1还可以根据实际需求采用其他结构来产生不同类型的脉冲。通过上述靶电路模块组1，在非辐照条件下输出稳定的指定电压值，在辐照条件下根据不同的辐照条件产生具有不同脉宽和幅值的单粒子瞬态脉冲，可以实现各种不同类型单粒子瞬态脉冲的测试，从而便于抑制各类型单粒子效应。

本实施例中，测试模块4在非辐照条件下检测并记录压控振荡器3正常的输出频率，在辐照条件下检测并记录压控振荡器3频率波动输出偏差的时刻波形，以及记录压控振荡器3恢复正常时的工作频率。具体当在非辐照条件下时压控振荡器3正常输出，此时由测试模块4记录压控振荡器3正常输出的频率，当在辐照条件下时，由靶电路模块组1产生单粒子瞬态脉冲，经过脉冲调理模块2后接入到压控振荡器3，压控振荡器3按照接入的不同脉冲输出不同频率的波形，由测试模块4记录压控振荡器3频率波动的波形，恢复正常时由测试模块3记录恢复正常时的工作频率，由记录的上述信息可推算得到压控振荡器3接入脉冲(即脉冲调理模块2输出的脉冲)的幅度以及脉冲，再结合脉冲调理模块2输入输出信号关系即可计算出单粒子瞬态脉冲幅度以及脉宽，实现单粒子瞬态幅度以及脉宽的测试。本实施例测试模块4具体采用具有频率波动探测功能的示波器，操作简便且高效，当然也可以根据实际需求采用其他结构。

本实施例中，波形分析计算模块5包括幅度计算单元以及脉宽计算单元，幅度计算单元根据压控振荡器3的输出波形的频率波动状态计算出脉冲调理模块2输出脉冲的幅度，并根据脉冲调理模块2的输入输出信号关系最终计算得到单粒子瞬态脉冲的幅度，脉宽计算单元根据压控振荡器3恢复正常状态的恢复时间计算出脉冲调理模块2输出脉冲的脉宽，并根据脉冲调理模块2的输入输出信号关系最终计算得到单粒子瞬态脉冲的脉宽，可以同时实现脉冲幅度、脉宽的测试。

本实施例幅度计算单元通过根据压控振荡器3电压转换到频率的增益，再把电压幅值的波动转换成频率的波动，由波动状态计算出脉冲的幅度，由于基于电感型压控振荡器增益比较低，一般不会超过200MHz/V，电压波动1mV可以在输出端引起0.2MHz的波动，且电感型压控振荡器自身抖动很低，依然可以实现0.2MHz的分辨率，从而可以结合压控振荡器的大增益特性实现高精度的测试。

本实施例脉宽计算单元具体首先记录下压控振荡器3未加辐照条件下的工作频率，然后在辐照条件下测试出工作频率改变并的时刻和工作频率恢复的时刻，再把该两个时刻相减可以得到单粒子瞬态引起脉宽的持续时间的函数值，由于经过了限幅电路，时间的持续得以延长，延长的关系为确定的函数，通过数学公式即可计算出真实的单粒子瞬态脉冲的持续时间。

如图2所示，本发明具体应用实施例实现单粒子瞬态幅度以及脉宽测试时，由靶电路模块组1在非辐照条件下输出稳定的电压值，在辐照条件下根据不同的辐照条件产生不同脉宽和幅值的脉冲，靶电路模块组1输出的电压接至一个无源的限幅电路，将靶电路模块组1输出的脉冲最高幅度压缩至指定范围内，以满足压控振荡器3的工作电压范围，限幅的波形送到压控振荡器3上后，压控振荡器3根据接收的不同脉冲来输出不同频率的波形，当脉冲消失后，压控振荡器3会恢复正常的工作频率，使用示波器来记录压控振荡器3的输出波形，在非辐照条件下记录正常的输出频率，在辐照条件下记录频率波动输出偏差的时刻波形，并记录恢复正常的输出频率的工作频率，示波器的输出送入到预先配置的波形分析软件，通过波形分析软件进行波形分析，根据压控振荡器3输出波形的频率波动、恢复时间以及限幅电路的输入输出函数关系计算出脉冲的幅度和脉宽。

本实施例进一步包括宽量程高精度单粒子瞬态参数测试方法，步骤包括：

S1.按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲；

S2.输入产生的单粒子瞬态脉冲进行调理，输出调理后的脉冲；

S3.通过压控振荡器3根据步骤S2输出的不同脉冲输出不同频率的波形；

S4.检测所述压控振荡器3的输出波形并输出；

S5.接收所述压控振荡器3的输出波形进行分析，根据压控振荡器3输出波形的波动状态以及步骤S2的输入输出信号关系计算出单粒子瞬态脉冲的参数并输出。

本实施例步骤S2中，具体将单粒子瞬态脉冲的幅度压缩至指定范围内以及将脉冲宽度延时。

本实施例步骤S5中，根据压控振荡器3的输出波形的频率波动状态计算出步骤S2输出脉冲的幅度，并根据步骤S2输入输出信号关系最终计算得到单粒子瞬态脉冲的幅度，脉宽计算单元根据压控振荡器3恢复正常状态的恢复时间计算出步骤S2输出脉冲的脉宽，并根据步骤S2输入输出信号关系最终计算得到单粒子瞬态脉冲的脉宽，具体原理如上所述。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于，包括：

靶电路模块组(1)，用于按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲；

脉冲调理模块(2)，用于输入所述靶电路模块组(1)产生的单粒子瞬态脉冲进行调理，输出调理后的脉冲；

压控振荡器(3)，用于根据所述脉冲处理模块(2)输出的不同脉冲输出不同频率的波形；

测试模块(4)，用于检测所述压控振荡器(3)的输出波形，输出给波形分析计算模块(5)；

波形分析计算模块(5)，用于接收所述压控振荡器(3)的输出波形进行分析，根据所述压控振荡器(3)输出波形的波动状态以及所述脉冲调理模块(2)的输入输出信号关系计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数并输出；

所述波形分析计算模块(5)包括幅度计算单元以及脉宽计算单元，所述幅度计算单元根据所述压控振荡器(3)的输出波形的频率波动状态计算出所述脉冲调理模块(2)输出脉冲的幅度，并根据所述脉冲调理模块(2)的输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的幅度，所述脉宽计算单元根据所述压控振荡器(3)恢复正常状态的恢复时间计算出所述脉冲调理模块(2)输出脉冲的脉宽，并根据所述脉冲调理模块(2)的输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。

2.根据权利要求1所述的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于，所述脉冲调理模块(2)包括限幅电路，用于将所述单粒子瞬态脉冲的幅度压缩至指定范围内以及将脉冲宽度延时。

3.根据权利要求2所述的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于，所述限幅电路包括第一电容C1、第二电容C2以及第一电阻R1，所述第一电容C1与第一电阻R1串联连接，所述第二电容C2并联连接在所述第一电容C1的两端。

4.根据权利要求1所述的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于，所述压控振荡器(3)为电感型压控振荡器。

5.根据权利要求1所述的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于，所述靶电路模块组(1)包括多个用于产生不同类型脉冲的靶电路，每个所述靶电路中设置有不同宽长比的NMOS管和/或PMOS管，各所述靶电路通过开关控制接入。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于，所述测试模块(4)在非辐照条件下检测并记录所述压控振荡器(3)正常的输出频率，在辐照条件下检测并记录所述压控振荡器(3)频率波动输出偏差的时刻波形，以及记录所述压控振荡器(3)恢复正常时的工作频率。

7.一种宽量程高精度单粒子瞬态参数测试方法，其特征在于，步骤包括：

S1.按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲；

S2.输入产生的所述单粒子瞬态脉冲进行调理，输出调理后的脉冲；

S3.通过压控振荡器根据所述步骤S2输出的不同脉冲输出不同频率的波形；

S4.检测所述压控振荡器(3)的输出波形并输出；

S5.接收所述压控振荡器(3)的输出波形进行分析，根据所述压控振荡器(3)输出波形的波动状态以及所述步骤S2的输入输出信号关系计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数并输出；

所述步骤S5根据所述压控振荡器(3)的输出波形的频率波动状态计算出所述脉冲调理模块(2)输出脉冲的幅度，并根据所述脉冲调理模块(2)的输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的幅度，根据所述压控振荡器(3)恢复正常状态的恢复时间计算出所述脉冲调理模块(2)输出脉冲的脉宽，并根据所述脉冲调理模块(2)的输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。

8.根据权利要求7所述的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，具体将所述单粒子瞬态脉冲的幅度压缩至指定范围内以及将脉冲宽度延时。

9.根据权利要求7或8所述的宽量程高精度单粒子瞬态参数测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据所述压控振荡器(3)的输出波形的频率波动状态计算出所述步骤S2输出脉冲的幅度，并根据所述步骤S2输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的幅度，以及根据所述压控振荡器(3)恢复正常状态的恢复时间计算出所述步骤S2输出脉冲的脉宽，并根据所述步骤S2输入输出信号关系最终计算得到所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。

Images