CN103983834A - 一种单粒子瞬态脉冲信号幅度测量电路 - Google Patents
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Abstract
一种瞬态脉冲幅度测量电路，包括：预处理电路，具有单粒子脉冲接收端、复位输入端、预处理信号输出端、检测信号输出端及正误信号输出端，根据输入脉冲产生预处理信号，及第一级检测信号，并给出正误信号判断输入脉冲宽度是否满足测试要求；至少一级检测电路，每级检测电路由缓冲器和或非门基本RS锁存器构成，具有缓冲器输入端，缓冲器输出端，复位信号输入端和检测信号输出端，通过缓冲器对缓冲器输入信号进行衰减。第一级检测电路中缓冲器输入端连接预处理信号，其余各级检测电路中缓冲器输入端连接上一级缓冲器输出端。本发明能够对单粒子瞬态脉冲信号幅度进行测量，并检测输入脉冲宽度是否处于测试范围内，输入负载小，测量范围和精度可调。
Description
技术领域
本发明涉及空间辐射效应探测领域和高频电脉冲测量领域，具体的说，本发明涉及一种单粒子瞬态脉冲信号脉冲幅度测量电路。
背景技术
航天技术是衡量一个国家现代化水平和综合国力的重要标志，集成电路作为航天器的核心，其性能和功能己成为各种航天器性能的主要衡量指标之一。
单粒子效应，是指航天及地面等辐射环境中存在的高能粒子，在芯片内部敏感区域引发电离辐射所产生的辐射损伤效应。电离辐射在粒子运动轨迹上产生密集的电子/空穴对，当这些电子/空穴对被电路节点收集时，可能改变电路正常工作状态，导致数据错误，工作失常，芯片烧毁等严重后果。
随着集成电路特征尺寸的不断减小，运行速度的不断加快，工作电压的不断下降，电路对单粒子效应越来越敏感。单粒子效应已经成为严重威胁航天器的安全与可靠的热点问题之一。
在辐射环境下，粒子对电路的轰击将在其运动轨迹上产生电子/空穴对，该电子/空穴对被电路节点吸收，将产生一个瞬时窄脉冲信号，即单粒子瞬态脉冲信号，如果该信号沿着组合通路向下传播，达到锁存器或者其他类型的时序单元，将导致单粒子翻转，从而产生电路错误。而足够的脉冲宽度和脉冲幅度是单粒子瞬态脉冲信号得以在组合通路中传播的必要条件，因此，对单粒子瞬态脉冲信号宽度、幅度的测量将有利于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，对确保航天器的安全与可靠，具有重要意义。
由于单粒子瞬态脉冲信号脉冲宽度非常窄，采用示波器或逻辑分析仪等设备直接进行测量，对设备带宽和精度等要求非常高，单粒子研究是国外重点保密的领域，禁止这类设备出口，国内产品往往难以满足测量需求，测量难度大。
发明内容
针对这一现状，本发明提供一种瞬态脉冲幅度测量电路，包括：
预处理电路，具有单粒子脉冲接收端、复位输入端、预处理信号输出端、检测信号输出端及正误信号输出端，根据输入脉冲产生预处理信号，及第一级检测信号，并给出正误信号判断输入脉冲宽度是否满足测试要求；至少一级检测电路，每级检测电路由缓冲器和或非门基本RS锁存器构成，具有缓冲器输入端，缓冲器输出端，复位信号输入端和检测信号输出端，通过缓冲器对缓冲器输入信号进行衰减，当衰减后信号足以驱动锁存器时，检测信号输出高电平，当输入信号不足以驱动锁存器时，检测信号输出低电平。
其中第一级检测电路中缓冲器输入端连接预处理信号，其余各级检测电路中缓冲器输入端连接上一级缓冲器输出端。
其中，所述的测量电路特征在于，当待检测信号脉冲宽度足够时，预处理电路产生的预处理信号与输入信号脉冲宽度无关，而只与脉冲幅度有关，且待检测信号脉冲幅度越高，预处理信号脉冲幅度越高，脉冲宽度越宽，驱动能力越强。
其中，所述正误信号用于检测输入信号脉宽是否满足测量所需最小脉宽，检测信号为高电平说明输入信号脉宽足够，测量结果正确，检测信号为低电平表明输入信号脉宽不足，测量结果错误。
其中，该电路中的缓冲器由偶数个反相器级联构成，其中缓冲器输出信号脉冲宽度小于缓冲器输入信号脉冲宽度。
其中，每级检测电路中或非门基本RS锁存器S端连接本级缓冲器输出端，R端连接复位输入端，Q端连接检测信号输出端。
所述各级检测电路采用相同的结构尺寸。根据所述正误信号和各级检测电路输出的信号电平，反推出所测脉冲信号幅度。通过调节电源电压、检测电路中缓冲器的结构、尺寸，调节测量范围和测量精度。
根据本发明提供的单粒子瞬态脉冲信号幅度测量电路，能够对单粒子瞬态脉冲信号幅度进行测量，能够自动检测输入脉冲宽度是否处于测试范围内，电路输入负载小，通过调节电源电压或检测电路中所用缓冲器的结构、尺寸等，可以调节测量范围和测量精度。
附图说明
图1为本发明一个实施例中的脉冲信号幅度测量电路结构示意图；
图2为本发明一个实施例中的预处理电路结构示意图；
图3(a)为本发明一个实施例中的预处理电路中采用的输出电压可调反相器，图3(b)为本发明一个实施例中的预处理电路中采用的三输入RS锁存器结构示意图；
图4为本发明一个实施例中的预处理电路工作波形示意图；
图5为本发明一个实施例中的检测电路中缓冲器结构示意图；
图6为本发明一个实施例中的检测电路工作波形示意图；
图7为本发明一个实施例中的单粒子瞬态脉冲信号幅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。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1所示为本发明的一个实施例提供的单粒子瞬态脉冲信号幅度测量电路结构示意图。根据本发明的实施例，该电路包括预处理电路101及16级检测电路；预处理电路101，用于产生预处理信号in，检测信号out1以及正误信号right；预处理电路脉冲输入端连接待测单粒子瞬态脉冲信号input，复位输入端连接复位信号reset，输出预处理信号in，检测信号out1以及正误信号right；16级检测电路，每级检测电路由缓冲器和或非门基本RS锁存器构成，其中缓冲器输出端连接锁存器S输入端，复位信号reset连接锁存器R输入端，各级锁存器Q输出端即为检测信号out2至outn输出端。除第一级检测电路中缓冲器输入端连接预处理信号in，其余各级检测电路中缓冲器输入端连接上一级缓冲器输出端。
图2为本发明的一个实施例提供的预处理电路结构示意图，该电路包括或非门基本RS锁存器201，延时电路202和206，与非门203，反相器205，输出高电平可调反相器204以及三输入RS锁存器207。其中201的R输入端连接复位信号reset，201的S输入端连接单粒子瞬态脉冲信号input，201的Q输出端即为检测信号out1。201的输出端连接延时电路202，202的输出信号同out1作为与非门电路203的两个输入端(可互换)，203的输出信号in1作为反相器204和205的输入信号，其中输出高电平可调的反相器204，其电压输入端连接输入信号input，204输出信号即为预处理信号in。205的输出信号o1连接反相器206，206的输出信号o1_d同input分别连接三输入RS锁存器207的S1，S2输入端(可互换)，o1连接207的R输入端，207的Q端输出信号即为正误信号right。
图3(a)为输出高电平可调的反相器204电路图，图3(b)为三输入RS锁存器207电路图。其中204的输入端为in，输出端为out，电压输入端为in_vdd。则当in为低电平时，out输出幅度同in_vdd相同，当in为高电平时，out为低电平。锁存器207当输入信号S1和S2均为1，且输入信号R为0时，输出Q为1，为0。当S1和S2不全为1时，若R为1，输出Q为0，为1，若R为0，输出保持不变。
在预处理电路中，延时电路202由8个反相器级联构成，延时电路206由4个反相器级联构成，其中除201中栅极连接Q和S信号的pmos管宽长比为0.89微米/0.35微米，与非门203中pmos管宽长比为0.89微米/0.35微米，其余pmos管宽长比为2.3微米/0.35微米，所有nmos管宽长比均为0.89微米/0.35微米。
图4为本发明的一个实施例提供的预处理电路101工作波形图示意图，电源电压3.3V，图中从上到下依次为输出信号right，中间信号o1_d中间信号o1，输出信号in，中间信号in1，输出信号out1，中间信号q1_d，中间信号q1_，输入信号input，输入信号reset。
在仿真时刻370纳秒至372纳秒时，reset信号为高电平，锁存器201复位，out1为低电平，q1_为高电平，q1_d为高电平，in1为高电平，in为低电平，o1为低电平，o1_d为低电平，right信号保持不变。
在仿真时刻375纳秒时，input信号输出脉宽为1.5纳秒，幅度为3.3V的高电平信号，该信号驱动201置位，使得out1信号变为高电平，q1_信号变为低电平，经过202输出q1_d，产生脉宽约为470皮秒的in信号和中间信号o1。o1信号经过206延迟输出o1_d，二者同input作用生成right信号，由于input和o1_d的下降沿均晚于o1的下降沿，因此当o1信号由高电平变为低电平后，存在一段时间满足o1为低电平，o1_d及input为高电平，使得输出结果right变为高电平。之后o1_d及input变为低电平，right保持高电平不变。
显然，当input脉宽不足时，input下降沿早于o1下降沿，此时input结束后，存在一段时间满足，input为0，o1_d和o1为1，使得right输出低电平，而后o1_d和o1变为0，right保持低电平。也就是说，如果输入脉宽足够宽时，输出right为高电平，如果输入脉宽不足，则输出right为低电平。通过right信号，可以检测出当输入信号脉冲宽度是否过窄，测量结果是否正确。
改变input的宽度和幅度仿真可知，当input信号宽度足够时，产生的预处理信号in同input脉冲宽度无关，而只与input脉冲幅度有关。且input脉冲幅度越高，in脉冲幅度越高，脉冲宽度越宽；例如，input幅度为3.3V，宽度为1.5纳秒，输出in信号幅度为3.3V，宽度为475皮秒；input幅度为3.3V，宽度为2.5纳秒，输出in信号幅度为3.3V，宽度为475皮秒；input幅度为2V，宽度为1.5纳秒时，输出in信号幅度为2V，宽度为327皮秒。
在本实施例中，各级检测电路均采用相同的结构尺寸。检测电路中所用缓冲器由两个尺寸不同的反相器构成，结构如图5所示，其中同缓冲器输入信号delay_in相连接的pmos管401的宽长比为2.1微米/0.35微米，nmos管402的宽长比为2微米/0.35微米。同缓冲器输出信号delay_out相连接的pmos管403宽长比为2微米/0.35微米，nmos管404的宽长比为2.1微米/0.35微米。检测电路中所用RS锁存器302中pmos管宽长比均为2.3微米/0.35微米，nmos管宽长比均为0.89微米/0.35微米。
图6为本发明的一个实施例提供的检测电路工作波形示意图，从上至下依次为，复位信号reset，缓冲器输入信号delay_in，缓冲器输出信号delay_out，结果输出信号out。电源电压3.3V，当delay_in脉冲宽度为500皮秒时，输出信号delay_out脉冲宽度约为480皮秒，输出信号脉冲宽度小于输入信号脉冲宽度。delay_out驱动RS锁存器翻转，Q端输出信号out变为1。
脉冲信号在组合电路中的传播，受脉冲宽度和脉冲幅值共同影响，脉冲宽度越宽，脉冲幅度越高，驱动能力越强。由于in的驱动能力由input脉冲幅度决定，因此可以根据out1至outn信号被驱动情况，反推出input脉冲幅度。
图7示出了本发明的一个实施例中瞬态脉冲信号幅度测量电路测量一个瞬态脉冲的整体工作波形示意图。从上至下分别为：检测输出信号out17，out16，…，out1，正误信号right，单粒子瞬态脉冲输入信号input，复位信号reset的电压波形。电源电压3.3V，reset从10纳秒开始，每经过20纳秒输出一个宽度为2纳秒的脉冲，脉冲幅度3.3V，input从15纳秒开始，每经过20纳秒输出一个宽度为1.5纳秒的脉冲，脉冲幅度从1.9V开始，步长0.1V，增加到3.3V，仿真结果如表1所示。
在right为1时，根据out1至out17的输出电平，即可反推出所测脉冲幅度。例如当输出right为1，而out1至out12为1，out13至out17为0时，输入电压为2.7V。通过调节电源电压、检测电路中缓冲器的结构、尺寸等，可以调节测量范围和测量精度。
表1
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)
1.一种瞬态脉冲幅度测量电路，包括：
预处理电路(101)，具有单粒子脉冲接收端、复位输入端、预处理信号输出端、检测信号输出端及正误信号输出端，根据输入脉冲产生预处理信号，及第一级检测信号，并给出正误信号判断输入脉冲宽度是否满足测试要求；
至少一级检测电路(102)，每级检测电路由缓冲器和或非门基本RS锁存器构成，具有缓冲器输入端，缓冲器输出端，复位信号输入端和检测信号输出端，通过缓冲器对缓冲器输入信号进行衰减，当衰减后信号足以驱动锁存器时，检测信号输出高电平，当输入信号不足以驱动锁存器时，检测信号输出低电平；
其中第一级检测电路中缓冲器输入端连接预处理信号，其余各级检测电路中缓冲器输入端连接上一级缓冲器输出端。
2.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，当待检测信号脉冲宽度足够时，预处理电路(101)产生的预处理信号与输入信号脉冲宽度无关，而只与脉冲幅度有关，且待检测信号脉冲幅度越高，预处理信号脉冲幅度越高，脉冲宽度越宽，驱动能力越强。
3.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，预处理电路中所述正误信号用于检测输入信号脉宽是否满足测量所需最小脉宽，检测信号为高电平说明输入信号脉宽足够，测量结果正确，检测信号为低电平表明输入信号脉宽不足，测量结果错误。
4.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，检测电路中的缓冲器由偶数个反相器级联构成，其中缓冲器输出信号脉冲宽度小于缓冲器输入信号脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，每级检测电路中或非门基本RS锁存器S端连接本级缓冲器输出端，R端连接复位输入端，Q端连接检测信号输出端。
6.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，所述各级检测电路采用相同的结构尺寸。
7.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，根据所述正误信号和各级检测电路输出的信号电平，反推出所测脉冲信号幅度。
8.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，通过调节电源电压、检测电路中缓冲器的结构、尺寸，调节测量范围和测量精度。
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