一種單粒子瞬態(tài)脈沖信號幅度測量電路的制作方法
【專利摘要】一種瞬態(tài)脈沖幅度測量電路，包括：預處理電路，具有單粒子脈沖接收端、復位輸入端、預處理信號輸出端、檢測信號輸出端及正誤信號輸出端，根據(jù)輸入脈沖產(chǎn)生預處理信號，及第一級檢測信號，并給出正誤信號判斷輸入脈沖寬度是否滿足測試要求；至少一級檢測電路，每級檢測電路由緩沖器和或非門基本RS鎖存器構成，具有緩沖器輸入端，緩沖器輸出端，復位信號輸入端和檢測信號輸出端，通過緩沖器對緩沖器輸入信號進行衰減。第一級檢測電路中緩沖器輸入端連接預處理信號，其余各級檢測電路中緩沖器輸入端連接上一級緩沖器輸出端。本發(fā)明能夠對單粒子瞬態(tài)脈沖信號幅度進行測量，并檢測輸入脈沖寬度是否處于測試范圍內(nèi)，輸入負載小，測量范圍和精度可調(diào)。
【專利說明】一種單粒子瞬態(tài)脈沖信號幅度測量電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及空間輻射效應探測領域和高頻電脈沖測量領域，具體的說，本發(fā)明涉及一種單粒子瞬態(tài)脈沖信號脈沖幅度測量電路。
【背景技術】
[0002]航天技術是衡量一個國家現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標志，集成電路作為航天器的核心，其性能和功能己成為各種航天器性能的主要衡量指標之一。
[0003]單粒子效應，是指航天及地面等輻射環(huán)境中存在的高能粒子，在芯片內(nèi)部敏感區(qū)域引發(fā)電離輻射所產(chǎn)生的輻射損傷效應。電離輻射在粒子運動軌跡上產(chǎn)生密集的電子/空穴對，當這些電子/空穴對被電路節(jié)點收集時，可能改變電路正常工作狀態(tài)，導致數(shù)據(jù)錯誤，工作失常，芯片燒毀等嚴重后果。
[0004]隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，運行速度的不斷加快，工作電壓的不斷下降，電路對單粒子效應越來越敏感。單粒子效應已經(jīng)成為嚴重威脅航天器的安全與可靠的熱點問題之一。
[0005]在輻射環(huán)境下，粒子對電路的轟擊將在其運動軌跡上產(chǎn)生電子/空穴對，該電子/空穴對被電路節(jié)點吸收，將產(chǎn)生一個瞬時窄脈沖信號，即單粒子瞬態(tài)脈沖信號，如果該信號沿著組合通路向下傳播，達到鎖存器或者其他類型的時序單元，將導致單粒子翻轉，從而產(chǎn)生電路錯誤。而足夠的脈沖寬度和脈沖幅度是單粒子瞬態(tài)脈沖信號得以在組合通路中傳播的必要條件，因此，對單粒子瞬態(tài)脈沖信號寬度、幅度的測量將有利于深入研究單粒子效應的發(fā)生機理規(guī)律，測量各種星載電子元器件和集成電路的輻射敏感參數(shù)，評價其抗單粒子效應的水平，對確保航天器的安全與可靠，具有重要意義。
[0006]由于單粒子瞬態(tài)脈沖信號脈沖寬度非常窄，采用示波器或邏輯分析儀等設備直接進行測量，對設備帶寬和精度等要求非常高，單粒子研究是國外重點保密的領域，禁止這類設備出口，國內(nèi)產(chǎn)品往往難以滿足測量需求，測量難度大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對這一現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種瞬態(tài)脈沖幅度測量電路，包括:
[0008]預處理電路，具有單粒子脈沖接收端、復位輸入端、預處理信號輸出端、檢測信號輸出端及正誤信號輸出端，根據(jù)輸入脈沖產(chǎn)生預處理信號，及第一級檢測信號，并給出正誤信號判斷輸入脈沖寬度是否滿足測試要求；至少一級檢測電路，每級檢測電路由緩沖器和或非門基本RS鎖存器構成，具有緩沖器輸入端，緩沖器輸出端，復位信號輸入端和檢測信號輸出端，通過緩沖器對緩沖器輸入信號進行衰減，當衰減后信號足以驅動鎖存器時，檢測信號輸出高電平，當輸入信號不足以驅動鎖存器時，檢測信號輸出低電平。
[0009]其中第一級檢測電路中緩沖器輸入端連接預處理信號，其余各級檢測電路中緩沖器輸入端連接上一級緩沖器輸出端。
[0010]其中，所述的測量電路特征在于，當待檢測信號脈沖寬度足夠時，預處理電路產(chǎn)生的預處理信號與輸入信號脈沖寬度無關，而只與脈沖幅度有關，且待檢測信號脈沖幅度越高，預處理信號脈沖幅度越高，脈沖寬度越寬，驅動能力越強。
[0011]其中，所述正誤信號用于檢測輸入信號脈寬是否滿足測量所需最小脈寬，檢測信號為高電平說明輸入信號脈寬足夠，測量結果正確，檢測信號為低電平表明輸入信號脈寬不足，測量結果錯誤。
[0012]其中，該電路中的緩沖器由偶數(shù)個反相器級聯(lián)構成，其中緩沖器輸出信號脈沖寬度小于緩沖器輸入信號脈沖寬度。
[0013]其中，每級檢測電路中或非門基本RS鎖存器S端連接本級緩沖器輸出端，R端連接復位輸入端，Q端連接檢測信號輸出端。
[0014]所述各級檢測電路采用相同的結構尺寸。根據(jù)所述正誤信號和各級檢測電路輸出的信號電平，反推出所測脈沖信號幅度。通過調(diào)節(jié)電源電壓、檢測電路中緩沖器的結構、尺寸，調(diào)節(jié)測量范圍和測量精度。
[0015]根據(jù)本發(fā)明提供的單粒子瞬態(tài)脈沖信號幅度測量電路，能夠對單粒子瞬態(tài)脈沖信號幅度進行測量，能夠自動檢測輸入脈沖寬度是否處于測試范圍內(nèi)，電路輸入負載小，通過調(diào)節(jié)電源電壓或檢測電路中所用緩沖器的結構、尺寸等，可以調(diào)節(jié)測量范圍和測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明一個實施例中的脈沖信號幅度測量電路結構示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明一個實施例中的預處理電路結構示意圖；
[0018]圖3(a)為本發(fā)明一個實施例中的預處理電路中采用的輸出電壓可調(diào)反相器，圖3(b)為本發(fā)明一個實施例中的預處理電路中米用的三輸入RS鎖存器結構不意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明一個實施例中的預處理電路工作波形示意圖；
[0020]圖5為本發(fā)明一個實施例中的檢測電路中緩沖器結構示意圖；
[0021]圖6為本發(fā)明一個實施例中的檢測電路工作波形示意圖；
[0022]圖7為本發(fā)明一個實施例中的單粒子瞬態(tài)脈沖信號幅度測量電路測量一個單粒子瞬態(tài)脈沖的整體工作波形示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0024]圖1所示為本發(fā)明的一個實施例提供的單粒子瞬態(tài)脈沖信號幅度測量電路結構示意圖。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該電路包括預處理電路101及16級檢測電路；預處理電路101，用于產(chǎn)生預處理信號in，檢測信號outl以及正誤信號right ;預處理電路脈沖輸入端連接待測單粒子瞬態(tài)脈沖信號input，復位輸入端連接復位信號reset，輸出預處理信號in，檢測信號outl以及正誤信號right ;16級檢測電路，每級檢測電路由緩沖器和或非門基本RS鎖存器構成，其中緩沖器輸出端連接鎖存器S輸入端，復位信號reset連接鎖存器R輸入端，各級鎖存器Q輸出端即為檢測信號out2至outn輸出端。除第一級檢測電路中緩沖器輸入端連接預處理信號in，其余各級檢測電路中緩沖器輸入端連接上一級緩沖器輸出端。[0025]圖2為本發(fā)明的一個實施例提供的預處理電路結構示意圖，該電路包括或非門基本RS鎖存器201，延時電路202和206，與非門203，反相器205，輸出高電平可調(diào)反相器204以及三輸入RS鎖存器207。其中201的R輸入端連接復位信號reset，201的S輸入端連接
單粒子瞬態(tài)脈沖信號input，201的Q輸出端即為檢測信號outl。201的輸出端qT連接延
時電路202，202的輸出信號qT_(!同outl作為與非門電路203的兩個輸入端(可互換)，
203的輸出信號ini作為反相器204和205的輸入信號，其中輸出高電平可調(diào)的反相器204，其電壓輸入端連接輸入信號input, 204輸出信號即為預處理信號in。205的輸出信號ol連接反相器206，206的輸出信號ol_d同input分別連接三輸入RS鎖存器207的SI，S2輸入端(可互換)，ol連接207的R輸入端,207的Q端輸出信號即為正誤信號right。
[0026]圖3(a)為輸出高電平可調(diào)的反相器204電路圖，圖3 (b)為三輸入RS鎖存器207電路圖。其中204的輸入端為in,輸出端為out,電壓輸入端為in_vdd。則當in為低電平時，out輸出幅度同in_vdd相同，當in為高電平時,out為低電平。鎖存器207當輸入信號
SI和S2均為1，且輸入信號R為O時，輸出Q為1，(^為O。當SI和S2不全為I時，若R為1，輸出Q為0，(J.為1，若R為0，輸出保持不變。 [0027]在預處理電路中，延時電路202由8個反相器級聯(lián)構成，延時電路206由4個反相器級聯(lián)構成，其中除201中柵極連接Q和S信號的pmos管寬長比為0.89微米/0.35微米，與非門203中pmos管寬長比為0.89微米/0.35微米，其余pmos管寬長比為2.3微米/0.35微米，所有nmos管寬長比均為0.89微米/0.35微米。
[0028]圖4為本發(fā)明的一個實施例提供的預處理電路101工作波形圖示意圖，電源電壓
3.3V，圖中從上到下依次為輸出信號right，中間信號ol_d中間信號ol，輸出信號in，中間信號ini,輸出信號outl,中間信號ql_d,中間信號ql_，輸入信號input,輸入信號reset。
[0029]在仿真時刻370納秒至372納秒時，reset信號為高電平，鎖存器201復位，outl為低電平，ql_為高電平，ql_d為高電平，ini為高電平，in為低電平,ol為低電平，01_(1為低電平，right信號保持不變。
[0030]在仿真時刻375納秒時，input信號輸出脈寬為1.5納秒，幅度為3.3V的高電平信號，該信號驅動201置位，使得outl信號變?yōu)楦唠娖?，ql_信號變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過202輸出ql_d，產(chǎn)生脈寬約為470皮秒的in信號和中間信號ol。ol信號經(jīng)過206延遲輸出ol_d, 二者同input作用生成right信號，由于input和ol_d的下降沿均晚于ol的下降沿，因此當ol信號由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，存在一段時間滿足ol為低電平，01_(1及input為高電平，使得輸出結果right變?yōu)楦唠娖?。之?1_(1及input變?yōu)榈碗娖?，right保持高電平不變。
[0031]顯然，當input脈寬不足時，input下降沿早于ol下降沿,此時input結束后,存在一段時間滿足，input為O, ol_d和ol為I,使得right輸出低電平,而后ol_d和ol變?yōu)?，right保持低電平。也就是說，如果輸入脈寬足夠寬時，輸出right為高電平，如果輸入脈寬不足，則輸出right為低電平。通過right信號，可以檢測出當輸入信號脈沖寬度是否過窄，測量結果是否正確。
[0032]改變input的寬度和幅度仿真可知，當input信號寬度足夠時，產(chǎn)生的預處理信號in同input脈沖寬度無關,而只與input脈沖幅度有關。且input脈沖幅度越高，in脈沖幅度越高，脈沖寬度越寬；例如，input幅度為3.3V，寬度為1.5納秒，輸出in信號幅度為
3.3V，寬度為475皮秒；input幅度為3.3V，寬度為2.5納秒，輸出in信號幅度為3.3V，寬度為475皮秒；input幅度為2V，寬度為1.5納秒時，輸出in信號幅度為2V，寬度為327皮秒。
[0033]在本實施例中，各級檢測電路均采用相同的結構尺寸。檢測電路中所用緩沖器由兩個尺寸不同的反相器構成，結構如圖5所示，其中同緩沖器輸入信號delay_in相連接的pmos管401的寬長比為2.1微米/0.35微米，nmos管402的寬長比為2微米/0.35微米。同緩沖器輸出信號delay_out相連接的pmos管403寬長比為2微米/0.35微米，nmos管404的寬長比為2.1微米/0.35微米。檢測電路中所用RS鎖存器302中pmos管寬長比均為2.3微米/0.35微米，nmos管寬長比均為0.89微米/0.35微米。
[0034]圖6為本發(fā)明的一個實施例提供的檢測電路工作波形示意圖，從上至下依次為，復位信號reset,緩沖器輸入信號delay_in,緩沖器輸出信號delay_out,結果輸出信號OUt0電源電壓3.3V,當delay_in脈沖寬度為500皮秒時，輸出信號delay_out脈沖寬度約為480皮秒，輸出信號脈沖寬度小于輸入信號脈沖寬度。delay_out驅動RS鎖存器翻轉,Q端輸出信號out變?yōu)镮。
[0035]脈沖信號在組合電路中的傳播，受脈沖寬度和脈沖幅值共同影響，脈沖寬度越寬，脈沖幅度越高，驅動能力越強。由于in的驅動能力由input脈沖幅度決定，因此可以根據(jù)outl至outn信號被驅動情況,反推出input脈沖幅度。
[0036]圖7示出了本發(fā)明的一個實施例中瞬態(tài)脈沖信號幅度測量電路測量一個瞬態(tài)脈沖的整體工作波形示意圖。從上至下分別為:檢測輸出信號outl7, outl6, ".,outl,正誤信號right,單粒子瞬態(tài)脈沖輸入信號input,復位信號reset的電壓波形。電源電壓3.3V,reset從10納秒開始，每經(jīng)過20納秒輸出一個寬度為2納秒的脈沖，脈沖幅度3.3V, input從15納秒開始，每經(jīng)過20納秒輸出一個寬度為1.5納秒的脈沖，脈沖幅度從1.9V開始，步長0.1V，增加到3.3V，仿真結果如表I所示。
[0037]在right為I時，根據(jù)outl至outl7的輸出電平，即可反推出所測脈沖幅度。例如當輸出right為1，而outl至outl2為1，outl3至outl7為O時，輸入電壓為2.7V。通
過調(diào)節(jié)電源電壓、檢測電路中緩沖器的結構、尺寸等，可以調(diào)節(jié)測量范圍和測量精度。
[0038]
【權利要求】
1.一種瞬態(tài)脈沖幅度測量電路，包括: 預處理電路(101)，具有單粒子脈沖接收端、復位輸入端、預處理信號輸出端、檢測信號輸出端及正誤信號輸出端，根據(jù)輸入脈沖產(chǎn)生預處理信號，及第一級檢測信號，并給出正誤信號判斷輸入脈沖寬度是否滿足測試要求； 至少一級檢測電路(102)，每級檢測電路由緩沖器和或非門基本RS鎖存器構成，具有緩沖器輸入端，緩沖器輸出端，復位信號輸入端和檢測信號輸出端，通過緩沖器對緩沖器輸入信號進行衰減，當衰減后信號足以驅動鎖存器時，檢測信號輸出高電平，當輸入信號不足以驅動鎖存器時，檢測信號輸出低電平； 其中第一級檢測電路中緩沖器輸入端連接預處理信號，其余各級檢測電路中緩沖器輸入端連接上一級緩沖器輸出端。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量電路，其特征在于，當待檢測信號脈沖寬度足夠時，預處理電路(101)產(chǎn)生的預處理信號與輸入信號脈沖寬度無關，而只與脈沖幅度有關，且待檢測信號脈沖幅度越高，預處理信號脈沖幅度越高，脈沖寬度越寬，驅動能力越強。
3.根據(jù)權利要求1所述的測量電路，其特征在于，預處理電路中所述正誤信號用于檢測輸入信號脈寬是否滿足測量所需最小脈寬，檢測信號為高電平說明輸入信號脈寬足夠，測量結果正確，檢測信號為低電平表明輸入信號脈寬不足，測量結果錯誤。
4.根據(jù)權利要求1所述的測量電路，其特征在于，檢測電路中的緩沖器由偶數(shù)個反相器級聯(lián)構成，其中緩沖器輸出信號脈沖寬度小于緩沖器輸入信號脈沖寬度。
5.根據(jù)權利要求1所述的測量電路，其特征在于，每級檢測電路中或非門基本RS鎖存器S端連接本級緩沖器輸出端，R端連接復位輸入端，Q端連接檢測信號輸出端。
6.根據(jù)權利要求1所述的測量電路，其特征在于，所述各級檢測電路采用相同的結構尺寸。
7.根據(jù)權利要求1所述的測量電路，其特征在于，根據(jù)所述正誤信號和各級檢測電路輸出的信號電平，反推出所測脈沖信號幅度。
8.根據(jù)權利要求1所述的測量電路，其特征在于，通過調(diào)節(jié)電源電壓、檢測電路中緩沖器的結構、尺寸，調(diào)節(jié)測量范圍和測量精度。
【文檔編號】G01R19/04GK103983834SQ201410209130
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權日:2014年5月16日
【發(fā)明者】宿曉慧, 羅家俊, 郝樂, 畢津順, 李欣欣, 趙海濤 申請人:中國科學院微電子研究所