CN110208608B - 一种低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置及方法，该装置包括单粒子瞬态脉冲靶电路模块，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；压控振荡器，用于根据单粒子瞬态脉冲靶电路模块产生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，并根据输出波形的波动状态计算出单粒子瞬态参数输出。本发明具有结构简单紧凑、占地面积小、功耗低、测试精度高且能够测试脉冲幅度等优点。

Description

一种低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置及方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置及方法。
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，但是该类方法需要使用由大量逻辑门组成长链以及触发器链构成数字电路延时链，使得占用面积以及功耗大，测试精度受延时链最小单元限制，对脉冲时间测试精度不高，且存在无法测量幅度等问题。
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、占地面积小、功耗低、测试精度高且能够测试脉冲幅度的低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，以及实现方法简单、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：
一种低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，包括：
单粒子瞬态脉冲靶电路模块组，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；
压控振荡器，用于根据所述单粒子瞬态脉冲靶电路模块组产生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，并根据所述压控振荡器的输出波形的波动状态计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数输出。
作为本发明装置的进一步改进：所述单粒子瞬态脉冲靶电路模块组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。
作为本发明装置的进一步改进：所述单粒子瞬态脉冲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：所述压控振荡器为在指定辐照指标下不发生单粒子效应的加固型压控振荡器。
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输出波形发生变化时刻的波形，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：所述测试模块为具有频率波动探测功能的示波器。
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单粒子瞬态脉冲的脉宽。
一种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.通过压控振荡器根据产生的不同脉冲输出不同频率的波形；
S3.检测所述压控振荡器的输出波形并输出；
S4.接收所述压控振荡器的输出波形进行分析，并根据所述压控振荡器的输出波形的波动状态计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数输出。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，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；所述步骤S3 中，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输出波形发生变化时刻的波形，以及记录所述压控振荡器恢复正常时的工作频率。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4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单粒子瞬态脉冲的幅度，以及根据所述输出波形恢复正常状态的恢复时间计算出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、本发明低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置及方法，通过基于压控振荡器实现单粒子瞬态参数的测试，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，同时由于压控振荡器抖动性能优秀、结构简单，由简单的环振即可构成压控振荡器，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，能够实现低功耗低面积的单粒子瞬态参数测试。
2、本发明低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置及方法，在非辐照条件下压控振荡器正常输出，记录压控振荡器正常输出的频率，在辐照条件下压控振荡器按照不同脉冲输出不同频率的波形，记录频率波动的波形，恢复正常时记录恢复正常时的工作频率，利用记录压控振荡器输出波形的波动信息即可计算出单粒子瞬态幅度以及脉宽，可以同时实现单粒子瞬态幅度以及脉宽的测试，实现简单且测试效率、精度高。
3、本发明低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置及方法，通过将压控振荡器电压转换到频率的增益，把电压幅值的波动转换成频率的波动，实现单粒子瞬态脉冲幅度的检测，可以结合压控振荡器的大增益特性实现高精度的测试。
附图说明
图1是本实施例基于压控振荡器的小型化单粒子瞬态参数测试装置的结构示意图。
图2是本发明具体应用实施例中基于压控振荡器的小型化单粒子瞬态参数测试装置的结构示意图。
图3是本发明具体应用实施例中单粒子瞬态脉冲靶电路模块组的电路结构示意图。
图4是具体应用实施例中VCO受到粒子轰击前后输出波形示意图。
图例说明：1、单粒子瞬态脉冲靶电路模块组；2、压控振荡器；3、测试模块；4、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，本实施例低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，包括：
单粒子瞬态脉冲靶电路模块组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；
压控振荡器2，用于根据单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1产生的不同脉冲输出不同频率的波形；
测试模块3，用于检测压控振荡器2的输出波形，输出给波形分析计算模块4；
波形分析计算模块4，用于接收压控振荡器2的输出波形进行分析，并根据压控振荡器2 输出波形的波动状态计算出单粒子瞬态脉冲的参数输出。
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，能够实现低功耗低面积的单粒子瞬态参数测试。
本实施例中，单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1具体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。
如图3所示，本实施例中单粒子瞬态脉冲靶电路模块组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。
本实施例中，压控振荡器2具体采用在指定辐照指标下不发生单粒子效应的加固型压控振荡器，加固型压控振荡器具体在传统压控振荡器的基础上进行抗辐射加固设计，在所需辐照指标下保证不发生单粒子效应，然后对靶电路模块组进行改造，使得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脉冲。
本实施例中，测试模块3具体在非辐照条件下检测并记录压控振荡器2正常的输出频率，在辐照条件下检测并记录压控振荡器2输出波形发生变化时刻的波形，以及记录压控振荡器 2恢复正常时的工作频率。
在具体应用实施例中VCO受到粒子轰击前后输出波形变化如图4所示，其中图中(a)对应为VCO在未受到粒子轰击时正常工作状态时的输出波形，单个周期波形放大后如图中 (c) 所示，图中 (b)为VCO在受到粒子轰击时输出波形，即整体频率下降，单个周期波形放大后如图中 (d)所示，从图中看出，当VCO没有被粒子击中时是保持固定的频率输出，当VCO被粒子击中时，输出频率会发生改变，如图中 (b)所示为频率降低的情况，其中虚线部分表示当 VCO频率发生上升时脉冲宽度变短，当频率降低后，由于单个周期的脉冲宽度相对整个周期并不会随着改变，因此脉冲宽度的绝对值发生了改变，因此可以通过脉冲宽度的变化抓取 VCO波形发生变化时刻的波形。在测试时VCO也存在一定的抖动如图中 (c)所示，该抖动也会带来脉冲宽度的影响，但该抖动比较相对整个周期来说比较小，可以忽略其影响。
本实施例在非辐照条件下压控振荡器2正常输出，此时由测试模块3记录压控振荡器2 正常输出的频率，在辐照条件下，压控振荡器2则按照单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1产生的脉冲输出不同频率的波形，由测试模块3记录频率波动的波形，恢复正常时由测试模块3 记录恢复正常时的工作频率，由记录的上述信息即可计算出单粒子瞬态幅度以及脉宽等信息，实现单粒子瞬态幅度以及脉宽的测试。本实施例测试模块3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4具体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2的输出波形的频率波动状态计算出单粒子瞬态脉冲的幅度，实现单粒子瞬态幅度的测试，具体通过将压控振荡器2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，实现单粒子瞬态脉冲幅度的检测，由于压控振荡器2可以设计成很大的增益，可超过10GHz/V，当电压波动1mV可以在输出端可引起10MHz的波动，因而可以具有很高的测试精度；脉宽计算单元具体根据压控振荡器2恢复到正常状态的恢复时间计算出单粒子瞬态脉冲的脉宽，实现单粒子瞬态脉宽的测试，具体测试压控振荡器2的频率恢复到正常频率的时间，首先记录下压控振荡器2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的时刻和工作频率恢复的时刻，将两个时刻相减即可以得到单粒子瞬态引起脉宽的持续时间，得到单粒子瞬态脉宽。
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，将单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1输出的电压接在压控振荡器2上，压控振荡器2采用加固型压控振荡器，在所需辐照指标下保证不发生单粒子效应，由单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1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，压控振荡器2根据单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1产生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2会恢复正常的工作频率，通过示波器记录压控振荡器2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，并根据频率的波动推算出脉冲的幅度以及根据恢复时间计算出脉冲持续时间。
本实施例进一步包括基于压控振荡器的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.通过压控振荡器2根据产生的不同脉冲输出不同频率的波形；
S3.检测压控振荡器2的输出波形并输出；
S4.接收压控振荡器2的输出波形进行分析，并根据压控振荡器2的输出波形的波动状态计算出单粒子瞬态脉冲的参数输出。
本实施例步骤S1中，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；步骤S3中，在非辐照条件下检测并记录压控振荡器2正常的输出频率，在辐照条件下检测并记录压控振荡器2输出波形发生变化时刻的波形，以及记录压控振荡器2恢复正常时的工作频率。
本实施例步骤S4中，根据输出波形的频率的波动计算出单粒子瞬态脉冲的幅度，以及根据输出波形恢复正常状态的恢复时间计算出单粒子瞬态脉冲的脉宽。
本实施例上述步骤中，具体采用单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1按照不同辐照条件产生具有不同参数的单粒子瞬态脉冲，单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1的结构如图3所示，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；单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1的电压接入压控振荡器2中，由压控振荡器2根据单粒子瞬态脉冲靶电路模块组1产生的不同脉冲输出不同频率的波形，在非辐照条件下检测并记录压控振荡器2正常的输出频率，在辐照条件下检测并记录压控振荡器 2频率波动时刻的波形，以及记录压控振荡器2恢复正常时的工作频率，根据输出波形的频率的波动计算出单粒子瞬态脉冲的幅度，以及根据输出波形恢复正常状态的恢复时间计算出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)

1.一种低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于，包括：
单粒子瞬态脉冲靶电路模块组(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；
压控振荡器(2)，用于根据所述单粒子瞬态脉冲靶电路模块组(1)产生的不同脉冲输出不同频率的波形；
测试模块(3)，用于检测所述压控振荡器(2)的输出波形，输出给波形分析计算模块(4)；
波形分析计算模块(4)，用于接收所述压控振荡器(2)的输出波形进行分析，并根据所述输出波形的波动状态计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数输出；
所述波形分析计算模块(4)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(2)的输出波形的频率波动状态计算出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(2)恢复正常状态的恢复时间计算出所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。
2.根据权利要求1所述的低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于：所述单粒子瞬态脉冲靶电路模块组(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。
3.根据权利要求2所述的低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于：所述单粒子瞬态脉冲靶电路模块组(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。
4.根据权利要求1或2或3所述的低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于：所述压控振荡器(2)为在指定辐照指标下不发生单粒子效应的加固型压控振荡器。
5.根据权利要求1或2或3所述的低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于：所述测试模块(3)在非辐照条件下检测并记录所述压控振荡器(2)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(2)输出波形发生变化时刻的波形，以及记录所述压控振荡器(2)恢复正常时的工作频率。
6.根据权利要求5所述的低功耗小型化单粒子瞬态参数测试装置，其特征在于：所述测试模块(3)为具有频率波动探测功能的示波器。
7.一种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.通过压控振荡器(2)根据产生的不同脉冲输出不同频率的波形；
S3.检测所述压控振荡器(2)的输出波形并输出；
S4.接收所述压控振荡器(2)的输出波形进行分析，并根据所述压控振荡器(2)的输出波形的波动状态计算出所述单粒子瞬态脉冲的参数输出；
所述步骤S4根据所述压控振荡器(2)的输出波形的频率波动状态计算出所述单粒子瞬态脉冲的幅度，根据所述压控振荡器(2)恢复正常状态的恢复时间计算出所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。
8.根据权利要求7所述的单粒子瞬态参数测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，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；所述步骤S3中，在非辐照条件下检测并记录所述压控振荡器(2)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(2)输出波形发生变化时刻的波形，以及记录所述压控振荡器(2)恢复正常时的工作频率。
9.根据权利要求7或8所述的单粒子瞬态参数测试方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据所述压控振荡器(2)的输出波形的频率波动状态计算出所述单粒子瞬态脉冲的幅度，以及根据所述输出波形恢复正常状态的恢复时间计算出所述单粒子瞬态脉冲的脉宽。
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