一種具有抗單粒子效應功能的VCO偏置電路的製作方法

2023-10-06 14:53:49

本發明涉及集成電路技術領域，尤其涉及一種適用於鎖相環中具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路。

背景技術：

隨著航天、航空事業的迅猛發展和集成電路工藝尺寸的不斷減小，輻射效應對電子系統工作狀態的影響日益嚴峻，甚至會導致系統崩潰。模擬電路中鎖相環（pll）為其中一個關鍵部分，為整個電路系統提供所需的時鐘信號，而鎖相環中壓控振蕩（vco）為產生時鐘部分，其抗set（singleeventtransient，單粒子瞬變）性能將直接影響輸出時鐘。在vco中，其偏置電路部分的輻照敏感性更為嚴重，偏置電路在高能粒子撞擊下會使振蕩環路停止振蕩大量周期，而振蕩環路在輻照效應影響下僅會影響輸出時鐘相位變化，並能很快鎖定，所以vco偏置電路的抗輻照加固更為重要。

為提高vco偏置電路抗輻照性能，一種方法是通過對已有工藝進行改進，如中國專利申請（200510029396）公開一種基於絕緣體上的矽材料的場效應電晶體抗輻照加固方法，在器件級通過減少輻照引起的背溝漏電流的方法，能夠在一定程度上提高電路抗輻照能力，但電路整體抗輻照能力的作用仍然較小，且對已有工藝進行改進，會極大的增大設計成本；另一種方法是採用雙偏置電路技術，能夠有效的提高抗輻照性能，但現有的雙偏置電路中負載電阻偏置電壓產生電路、與尾電流電路偏置電壓產生電路相互之間會產生影響，因而對提高vco偏置電路的抗輻照性能仍然有限，尤其是對於能量較大的高能粒子撞擊，雙偏置vco僅與原vco的抗輻照能力相當。

如圖1所示的vco雙偏置電路，包括開關管m1、m2以及差分放大器a1，輸出電壓vbisa_p與vbias_b分別為vco振蕩環路中負載電阻、尾電流電路提供偏置電壓，即由開關管m1、m2產生偏置電壓vbisa_p作為負載電阻偏置電壓，偏置電壓vbisa_p與差分放大器a1再產生偏置電壓vbias_b作為尾電流電路偏置電壓；當高能粒子轟擊開關管m1或者m2的漏極時，會產生脈衝電流引起vbisa_p電壓波動，該電壓波動不僅會直接影響vco振蕩環路的工作狀態，還會通過差分放大器a1引起vbias_b電壓波動，從而進一步影響vco振蕩環路的工作狀態，抗輻照能力仍然不高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種具有結構簡單、所需成本低、能夠抗單粒子效應，抗輻照性強的具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路，包括負載電阻偏置模塊以及尾電流電路偏置模塊，所述負載電阻偏置模塊通過第一開關管單元產生第一偏置電壓輸出給vco環路中負載電阻，所述尾電流電路偏置模塊通過第二開關管單元產生第二偏置電壓，輸出給vco環路中尾電流電路、以及分別反饋給所述第一開關管單元、第二開關管單元。

作為本發明的進一步改進：所述第一開關管單元包括第一開關管m4以及第二開關管m5，所述第一開關管m4與所述第二開關管m5相連以產生所述第一偏置電壓，所述第一開關管m4連接控制電源端，所述第二開關管m5接入所述尾電流電路偏置模塊反饋的所述第二偏置電壓。

作為本發明的進一步改進：所述第二開關管單元包括第三開關管m6、第四開關管m7，所述第三開關管m6與所述第四開關管m7相連以產生第三偏置電壓，所述第三開關管m6連接控制電源端，所述第四開關管m7接入所述尾電流電路偏置模塊反饋的所述第二偏置電壓。

作為本發明的進一步改進：所述負載電阻偏置模塊通過所述第二開關管m5的柵極與所述尾電流電路偏置模塊中第四開關管m7的柵極連接以接入所述尾電流電路偏置模塊反饋的所述第二偏置電壓。

作為本發明的進一步改進：所述第一開關管單元包括兩條開關支路，每條所述開關支路包括相互連接的兩個開關管，且其中一個開關管連接控制電源端，另一個開關管接入所述尾電流電路偏置模塊反饋的所述第二偏置電壓，兩條開關支路之間通過第一濾波單元連接以輸出所述第一偏置電壓。

作為本發明的進一步改進：所述第一濾波單元包括兩個電阻r以及電容c，兩個所述電阻r的一端分別對應連接一條所述開關支路，另一端與所述電容c連接以輸出所述第一偏置電壓。

作為本發明的進一步改進：所述尾電流電路偏置模塊還包括與所述第二開關管單元連接的放大單元，所述放大單元接入所述第二開關管單元產生的第一偏置電壓，輸出放大後的偏置電壓。

作為本發明的進一步改進：所述放大單元包括差分放大器a2，所述差分放大器a2的正相輸入端接入所述第一偏置電壓，反相輸入端接入控制電源vc。

作為本發明的進一步改進：所述尾電流電路偏置模塊的輸出端還設置有第二濾波單元，通過所述第二濾波單元濾波後輸出所述第二偏置電壓。

作為本發明的進一步改進：所述第二濾波單元為rc低通濾波器，包括電阻r1以及電容m8，所述電阻r1的一端連接所述放大單元的輸出端，另一端通過所述電容m8接地。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1）本發明具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路，通過設置負載電阻偏置模塊、尾電流電路偏置模塊兩個電路模塊，分別產生提供給vco環路中負載電阻、尾電流電路的偏置電壓，使得當其中一路電路產生脈衝電流時不會影響另一路電路的狀態，當高能粒子轟擊其中一路電路中開關管時，產生的脈衝電流僅僅影響當前電路產生的偏置電壓，不會影響另一路電路的偏置電壓，也不會影響vco下級電路的工作狀態，負載電阻偏置模塊、尾電流電路偏置模塊之間能夠實現偽斷開的隔離功能，有效提高了vco偏置電路的抗輻照性能；

2）本發明具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路，進一步的在尾電流電路偏置模塊輸出端設置有濾波模塊，當高能粒子轟擊尾電流電路偏置模塊的開關管時，能夠減弱輻照效應對尾電流電路偏置電壓的影響，從而進一步提高電路的抗輻照性能，結合負載電阻偏置模塊、尾電流電路偏置模塊偽斷開的隔離設置，能夠使得既不會影響vco中本級電路又不會影響下級電路的輻照敏感節點，極大的提高了電路的抗輻照性能。

附圖說明

圖1是傳統的vco雙偏置電路結構示意圖。

圖2是本發明具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路的結構原理示意圖。

圖3是本發明實施例1具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路的結構示意圖。

圖4是本發明實施例1中vco偏置電路在輻照效應下的結構原理示意圖。

圖5是本發明實施例2具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路的結構示意圖。

圖6是傳統降低濾波器電壓波動的實現原理示意圖。

圖例說明：1、負載電阻偏置模塊；11、第一開關管單元；12、第一濾波單元；2、尾電流電路偏置模塊；21、第二開關管單元；22、放大單元；23、第二濾波單元。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但並不因此而限制本發明的保護範圍。

如圖2所示，本發明具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路包括負載電阻偏置模塊1以及尾電流電路偏置模塊2，負載電阻偏置模塊1通過第一開關管單元11產生第一偏置電壓vbias_p輸出給vco環路中負載電阻，尾電流電路偏置模塊2通過第二開關管單元21產生第二偏置電壓vbias_b，輸出給vco環路中尾電流電路、以及分別反饋給第一開關管單元11、第二開關管單元21。

本實施例採用上述vco偏置電路，通過兩個電路模塊分別產生提供給vco環路中負載電阻的第一偏置電壓vbias_p、提供給vco環路中尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b，提供給尾電流電路的偏置電壓同時反饋給第一開關管單元11、第二開關管單元21，能夠保持vco偏置電路的正常工作狀態，同時負載電阻偏置模塊1、尾電流電路偏置模塊2之間實現偽斷開的隔離功能，其中：

當高能粒子轟擊第一開關管單元11中開關管時，由於負載電阻偏置模塊1、尾電流電路偏置模塊2為兩個模塊相互隔離，第一開關管單元11產生的脈衝電流僅會引起負載電阻的偏置電壓波動，不會影響尾電流電路的偏置電壓狀態，也不會進一步影響vco下級電路vco振蕩環路的工作狀態；

當高能粒子轟擊第二開關管單元21中開關管時，由於負載電阻偏置模塊1、尾電流電路偏置模塊2為兩個模塊相互隔離，則第二開關管單元21產生的脈衝電流僅會引起尾電流電路的偏置電壓波動，不會影響負載電阻的偏置電壓狀態，從而有效提高了vco偏置電路的抗輻照性能。

本發明中，尾電流電路偏置模塊2還包括與第二開關管單元21連接的放大單元22，放大單元22接入第二開關管單元21產生的第一偏置電壓vbias_p，輸出放大後的偏置電壓。

本發明中，尾電流電路偏置模塊2的輸出端還設置有第二濾波單元23，第二濾波單元23與放大單元22的輸出端連接，通過第二濾波單元23對放大後的偏置電壓進行濾波後，輸出提供給尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b。通過在尾電流電路偏置模塊2的輸出端設置第二濾波單元23，當高能粒子轟擊第二開關管單元21時，產生的脈衝電流會經過第二濾波單元23進行濾波，能夠減弱輻照效應對提供給尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b的影響，從而進一步提高電路的抗輻照性能，結合上述負載電阻偏置模塊1、尾電流電路偏置模塊2之間偽斷開的隔離設置，能夠使得既不會影響本級電路又不會影響下級電路的輻照敏感節點，極大的提高了電路的抗輻照性能。

實施例1：

本實施例中具有抗單粒子效應功能的vco偏置電路如圖3所示，其中第一開關管單元11包括第一開關管m4以及第二開關管m5，第一開關管m4的柵極連接控制電壓vc，源極連接電源vdd，第二開關管m5的源級接地，第一開關管m4的漏極與第二開關管m5的漏極相連以產生提供給負載電阻的第一偏置電壓vbias_p；第二開關管單元21包括第三開關管m6、第四開關管m7，第三開關管m6的柵極連接控制電壓vc，源極連接電源vdd，第四開關管m7的源級接地，第三開關管m6的漏極與第四開關管m7的漏極相連以產生偏置電壓vbias_p2。負載電阻偏置模塊1通過第二開關管m5與尾電流電路偏置模塊2中第四開關管m7連接，具體第二開關管m5的柵極與第四開關管m7的柵極連接，並接入尾電流電路偏置模塊2反饋的第二偏置電壓vbias_b。

本實施例中放大單元22包括差分放大器a2，差分放大器a2的反相輸入端連接控制電壓vc，正相輸入端分別連接第三開關管m6的漏極、第四開關管m7的漏極以接入偏置電壓vbias_p2，輸出端輸出放大後的偏置電壓。

如圖3所示，本實施例中第二濾波單元23具體採用rc低通濾波器，包括電阻r1以及電容m8，電阻r1的一端連接放大單元22的輸出端，另一端通過電容m8接地，其中電容m8具體為電容電晶體，電容電晶體通過源級、漏極接地，以及通過柵極輸出提供給尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b。

如圖4所示，本實施例上述vco偏置電路正常工作時，產生兩路偏置電壓，一路由第三開關管m6、第四開關管m7構成以產生偏置電壓vbias_p2，偏置電壓vbias_p2僅與控制電壓vc通過差分放大器a2生成尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b；另一路由第一開關管m4、第二開關管m5構成以產生負載電阻的第一偏置電壓vbias_p，僅為vco負載電阻提供偏置電壓。當高能粒子轟擊第一開關管m4或者第二開關管m5的漏極時，則產生的脈衝電流僅僅影響提供給vco負載電阻的第一偏置電壓vbias_p；當高能粒子轟擊第三開關管m6或者第四開關管m7的漏極時，則產生的脈衝電流僅通過差分放大器a2影響提供給尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b，負載電阻偏置模塊1、尾電流電路偏置模塊2之間能夠實現偽斷開隔離功能且不會影響vco偏置電路正常工作，且不會影響下級電路的輻照敏感節點，有效提高了電路的抗輻照性能。

如圖4所示，本實施例上述vco偏置電路由於在差分放大器a3輸出端加入第二濾波單元23，當高能粒子轟擊第三開關管m6或者第四開關管m7的漏極時，經第二濾波單元23輸出提供給尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b，能夠減弱輻照效應對提供給尾電流電路的第二偏置電壓vbias_b的影響，從而進一步提高電路的抗輻照性能。

實施例2：

如圖5所示，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於負載電阻偏置模塊1中第一開關管單元11包括兩條開關支路，每條開關支路包括相互連接的兩個開關管，且其中一個開關管連接控制電源端，另一個開關管接入尾電流電路偏置模塊2反饋的第二偏置電壓，每條開關支路的結構具體與實施例1中負載電阻偏置模塊1電路結構相同，兩條開關支路之間通過第一濾波單元12連接以輸出第一偏置電壓vbias_p。

如圖5所示，本實施例第一濾波單元12包括兩個電阻r以及電容c，兩個電阻r的一端分別對應連接一條開關支路，另一端與電容c連接，電阻r與電容c之間為輸出埠輸出第一偏置電壓vbias_p。

本實施例vco偏置電路，結合濾波器以及負載電阻偏置模塊1偽斷開設置產生第一偏置電壓vbias_p，任何一路開關支路受到高能粒子轟擊，產生的脈衝電流都會通過第一濾波單元12流出，從而減小輸出電壓波動，能夠進一步提高vco偏置電路的抗單粒子能力。

通過設置濾波器可以實現輸出濾波，在一級開關支路的基礎上設置濾波器，為減少濾波器對輸出電壓的波動，如圖6，傳統方式是通過複製n次電路以將等效電阻降為原來的1/n，使得降低電壓波動，但是n次電路所需的驅動力大，後續需要具有較大驅動力的放大器進行驅動。本實施例通過負載電阻偏置模塊1偽斷開設置，由兩路開關支路通過第一濾波單元12輸出偏置電壓，能夠保持輸出電壓穩定的同時，大量減小前級電路的設置，無需設置多次前級電路即可實現電壓穩定，一級電路所需的驅動力小，能夠避免產生後續放大器a2對前級電路的驅動不足問題，可以適用於驅動能力不高的vco電路中，適用範圍廣。

本實施例上述負載電阻偏置模塊1、尾電流電路偏置模塊2的具體結構均可以根據實際需求採用其他電路結構，其原理與上述一致，在此不再進行贅述。

上述只是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的範圍內。