一種抗輻照雙模式的鎖相環電路的製作方法

2023-10-06 14:56:44

本發明涉及鎖相環控制技術領域，尤其涉及一種抗輻照雙模式的鎖相環電路。

背景技術：

輻射效應會對電子系統的工作狀態產生影響，嚴重的甚至可能導致系統崩潰，其中輻射環境下主要是由單粒子瞬變(singleeventtransient，set)效應對電子系統產生影響。鎖相環pll作為模擬電路中的關鍵部分，是為整個電路系統提供所需的時鐘信號，其性能將直接影響整個模擬電路的性能，而鎖相環中分頻器(frequencydivider,div)和鑑頻鑑相器(phasefrequencydetect,pfd)的抗輻照性能差，在set效應影響下會導致div、pfd產生錯誤的up/dn控制信號，使得pll失鎖，進而影響整個電路的工作狀況。

為了提高pll中div和pfd抗set能力，目前普遍是採用三模冗餘（triplemodularredundancy,tmr）技術，該方法可以在一定程度上提高div與pfd電路模塊的抗set能力，但存在以下缺陷：

（1）與常規的鎖相環電路相比，採用tmr技術後的鎖相環電路需要三倍的版圖面積和功耗，所需的版圖面積和功耗非常大，提高了成本；

（2）由於採用tmr技術需要引入投票器，因而同時會引入新的set敏感節點，還會進一步影響電路性能；

（3）採用tmr技術時由於需要採用反饋自糾正設計，因而還會使得投票器的set敏感性進一步放大，即投票器在set效應下不僅會影響後續電路工作，還會通過反饋進一步影響div與pfd模塊的工作狀況。

有從業者提出通過冗餘電路和n型、p型場效應管並聯的方式提高電路抗輻照能力，但是通常僅能夠提高特定集成電路的抗輻照能力，對於鎖相環pll中div與pfd的加固效果差，且無法消除輻照效應本身對電路工作的影響。

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，本發明提供一種能夠實現錯誤信號的自糾正，具有抗輻照功能，且結構簡單、功耗小，並能夠消除輻照效應對電路的影響的抗輻照雙模式的鎖相環電路。

一種抗輻照雙模式的鎖相環電路，包括壓控振蕩器以及電荷泵，還包括：

兩個分頻鑑相電路模塊，分別與所述壓控振蕩器的輸出端連接，每個所述分頻鑑相電路模塊包括依次連接的分頻器單元、鑑頻鑑相器，所述分頻器單元接入所述壓控振蕩器的輸出信號進行分頻，分頻後信號經過所述鑑頻鑑相器輸出一組控制信號；

邏輯電路模塊，用於分別接收兩個所述分頻鑑相電路模塊輸出的兩組控制信號，產生最終的多路開關控制信號輸出；

電荷泵控制開關模塊，與所述電荷泵連接，包括多個控制開關，各個所述控制開關分別接收所述邏輯電路模塊輸出的各路開關控制信號以控制電荷泵的開斷。

作為本發明的進一步改進：所述分頻器單元包括相互連接的選擇控制模塊、以及用於進行分頻的分頻器，所述選擇控制模塊根據所述鑑頻鑑相器輸出的信號，控制所述分頻器保持當前接入信號、或切換接入另一個所述分頻鑑相電路模塊的分頻器中信號進行分頻。

作為本發明的進一步改進：所述分頻器為由觸發器構成的分頻環路電路，所述選擇控制模塊通過一個輸入端連接在所述分頻環路電路中，另一個輸入端連接至另一路所述分頻環路電路中。

作為本發明的進一步改進：兩個所述選擇控制模塊分別連接在兩個所述分頻環路電路中相同位置處，所述選擇控制模塊的兩個輸入端的連接位置分別為兩個所述分頻環路電路中的相對應位置。

作為本發明的進一步改進：所述選擇控制模塊具體連接至所述分頻環路電路中兩個觸發器之間。

作為本發明的進一步改進：所述分頻鑑相電路模塊還包括反饋單元，所述反饋單元的輸入端連接所述鑑頻鑑相器的輸出端，輸出端連接所述分頻器單元中選擇控制模塊的控制端；所述反饋單元接收所述鑑頻鑑相器的輸出信號，生成反饋控制信號並發送給所述選擇控制模塊。

作為本發明的進一步改進：所述反饋單元為異或門，所述異或門的兩個輸入端分別連接所述鑑頻鑑相器的兩個輸出端，輸出端輸出經過異或運算的結果作為反饋控制信號。

作為本發明的進一步改進：所述邏輯電路模塊包括四條邏輯支路，其中兩條所述邏輯支路分別接收所述兩組控制信號中up控制信號所構成的up控制信號組，生成兩路第一開關控制信號，另兩條所述邏輯支路分別接收所述兩組控制信號中dn控制信號所構成的dn控制信號組，生成兩路第二開關控制信號。

作為本發明的進一步改進：所述邏輯支路包括依次連接的與運算單元以及非運算單元。

作為本發明的進一步改進：所述電荷泵控制開關模塊包括由相互連接的第一開關管m1、第二開關管m2構成的第一開關管單元，以及由相互連接的第三開關管m3以及第四開關管m4連接的第二開關管單元，所述第一開關管m1、第三開關管m3分別接收生成的所述第一開關控制信號，所述第三開關管m3、第四開關管m4分別接收生成的所述第二開關控制信號，所述第一開關管m1、第二開關管m2相互連接以控制所述電荷泵。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1）本發明抗輻照雙模式的鎖相環電路，通過設置兩路分頻鑑相電路構成雙模式結構，由兩個分頻鑑相電路模塊輸出的兩組控制信號經邏輯電路模塊共同產生多路開關控制信號控制電荷泵的控制開關，當其中一個分頻鑑相電路模塊受到輻射效應而產生錯誤控制信號時，能夠通過另一路分頻鑑相電路模塊產生正確的控制信號以糾正錯誤信號，最終產生正確的控制信號而避免輻照效應下錯誤控制電荷泵，實現錯誤信號的自糾正功能，有效提高了電路的抗輻照性能，且能夠消除輻照效應對電路的影響；同時結構簡單，與傳統的tmr模式鎖相環電路相比，所需的版圖面積及功耗小；

2）本發明抗輻照雙模式的鎖相環電路，基於分頻器的狀態機特性，通過在分頻環路電路中設置選擇控制模塊，由選擇控制模塊控制接入當前信號或另一路分頻器中信號，可以阻隔錯誤信號在環路中的傳輸，同時接入正確的信號，實現錯誤信號的自糾正，提高了分頻器、鑑頻鑑相器的抗輻照能力；

3）本發明抗輻照雙模式的鎖相環電路，通過四條邏輯支路產生兩組up、dn開關控制信號，兩組up、dn開關控制信號共同控制電荷泵的開關，使得當一組up、dn開關控制信號產生錯誤時，另一組up、dn開關控制信號能夠控制關斷開關管，避免由於輻照效應對電荷泵cp產生的錯誤充放電控制，有效提高了鎖相環電路的抗輻照能力，同時能夠消除set輻照效應本身對電路的影響。

附圖說明

圖1是本實施例中抗輻照雙模式的鎖相環電路的結構示意圖。

圖2是本發明具體實施例中分頻器單元的電路結構示意圖。

圖3是本發明具體實施例中邏輯電路模塊的電路結構示意圖。

圖4是本發明具體實施例中電荷泵控制開關模塊的電路結構示意圖。

圖例說明：1、分頻鑑相電路模塊；11、分頻器單元；111、選擇控制模塊；112、分頻器；12、鑑頻鑑相器；13、反饋單元；2、邏輯電路模塊；3、電荷泵控制開關模塊。

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1所示，本實施例抗輻照雙模式的鎖相環電路包括壓控振蕩器vco以及電荷泵cp，還包括：

兩個分頻鑑相電路模塊1，分別與壓控振蕩器vco的輸出端連接，每個分頻鑑相電路模塊1包括依次連接的分頻器單元11、鑑頻鑑相器12，分頻器單元11接入壓控振蕩器1的輸出信號進行分頻，分頻後信號經過鑑頻鑑相器12輸出一組控制信號；

邏輯電路模塊2，用於分別接收兩個分頻鑑相電路模塊1輸出的兩組控制信號，產生最終的多路開關控制信號輸出；

電荷泵控制開關模塊3，與電荷泵連接，包括多個控制開關，各個控制開關分別接收邏輯電路模塊2輸出的各路開關控制信號以控制電荷泵的開斷。

本實施例具體分頻器單元11分別接入壓控振蕩器的vco0、vco180（0度、180度時鐘信號）反饋信號，輸出信號clkfb與參考時鐘clkref共同輸入到鑑頻鑑相器12（pfd）中，鑑頻鑑相器12輸出一組控制信號up、dn（up1、dn1；up2、dn2），通過邏輯電路模塊2產生四路開關控制信號，由四路開關控制信號控制電荷泵的開斷。

本實施例通過設置兩個分頻鑑相電路模塊1構成兩路分頻鑑相電路的雙模式結構，由兩個分頻鑑相電路模塊1輸出的兩組控制信號，經邏輯電路模塊共同產生多路開關控制信號控制電荷泵的控制開關，當其中一個分頻鑑相電路模塊1受到輻射效應而產生錯誤控制信號時，能夠通過另一路分頻鑑相電路模塊1產生正確的控制信號以糾正錯誤信號，最終產生正確的控制信號而避免輻照效應下錯誤控制電荷泵，實現錯誤信號的自糾正功能，有效提高了電路的抗輻照性能，且能夠消除輻照效應對電路的影響；同時結構簡單，與傳統的tmr模式鎖相環電路相比，所需的版圖面積及功耗小。

如圖2所示，本實施例中分頻器單元11具體包括相互連接的選擇控制模塊111、以及用於進行分頻的分頻器112，選擇控制模塊111根據鑑頻鑑相器12輸出的信號，控制分頻器112保持當前接入信號、或接入另一個分頻鑑相電路模塊1的分頻器112中信號進行分頻。由鑑頻鑑相器12的輸出信號即可判定分頻鑑相電路模塊1是否產生錯誤信號，如鎖相環鎖定狀態中，可認為up=dn=0，分頻器單元11或者鑑頻鑑相器12在高能粒子轟擊下，可能會產生up=1或者dn=1的錯誤信號。本實施例具體由鑑頻鑑相器12輸出的控制信號up、dn生成反饋控制信號m(m1/m2)，由反饋控制信號m(m1/m2)控制：當鑑頻鑑相器12輸出的信號對應為未發生錯誤時，選擇控制模塊111控制保持當前路接入信號進行分頻，通過鑑頻鑑相器12輸出控制信號up、dn；當鑑頻鑑相器12輸出的信號對應為發生錯誤時，選擇控制模塊111控制切換接入另一路分頻器112中信號進行分頻，以糾正當前路錯誤信號，直至該路信號恢復正常狀態。

由於分頻器具有狀態機特性，在高能粒子轟擊下，錯誤信號會始終存在於某一路電路中，則當另一路再受到高能粒子轟擊後便會產生錯誤信號，影響整個鎖相環電路的正常工作。本實施例通過採用上述結構，由選擇控制模塊111根據鑑頻鑑相器12輸出的信號，控制分頻器112接入正確的信號，能夠在高能粒子轟擊後產生錯誤信號時實現電路自糾正而恢復到正常狀態。

本實施例中，分頻鑑相電路模塊1還包括反饋單元13，反饋單元13的輸入端連接鑑頻鑑相器12的輸出端，輸出端連接分頻器單元11中選擇控制模塊111的控制端，反饋單元13接收鑑頻鑑相器12的輸出信號，生成反饋控制信號並發送給選擇控制模塊111，由反饋單元13生成的反饋控制信號控制選擇控制模塊111的輸入信號。當鎖相環處於正常鎖定狀態中時，由鑑頻鑑相器12的輸出信號生成第一反饋控制信號，選擇控制模塊111接收到第一反饋控制信號後，控制選擇控制模塊111保持當前路輸入信號；當受到高能粒子轟擊後而產生錯誤信號時，由鑑頻鑑相器12的輸出信號生成第二反饋控制信號，選擇控制模塊111接收到第二反饋控制信號後，切換接入另一路分頻器112中信號作為輸入信號。

如圖1所示，本實施例中反饋單元13具體為異或門，異或門的兩個輸入端分別連接鑑頻鑑相器12的兩個輸出端，輸出端輸出經過異或運算後結果得到反饋控制信號m(m1、m2)。當鎖相環處於正常鎖定狀態中，經過反饋單元13後up⊕dn=0，即反饋控制信號m為0，選擇控制模塊111控制保持當前路輸入信號，當分頻器單元11或者鑑頻鑑相器12受到高能粒子轟擊後產生錯誤信號時使得經過反饋單元13後輸出為up⊕dn=1，即反饋控制信號m為1，此時選擇控制模塊111控制切換接入另一路分頻器112中信號作為輸入信號，直至當前路信號恢復正常狀態。

如圖2所示，本實施例中分頻器112具體為由觸發器構成的分頻環路電路，具體可採用常規的環路結構分頻器；選擇控制模塊111通過一個輸入端連接在分頻環路電路中，另一個輸入端連接至另一路分頻環路電路中。環路結構的分頻器具有狀態機特性，錯誤信號會隨著環路始終存在電路中，本實施例通過在分頻環路電路中設置選擇控制模塊111，由選擇控制模塊111控制接入當前信號或另一路分頻器112中信號，可以阻隔錯誤信號在環路中的傳輸，同時接入正確的信號，實現錯誤信號的自糾正。

本實施例中，兩個選擇控制模塊111分別連接在兩個分頻環路電路中相同位置處，選擇控制模塊111的兩個輸入端的連接位置分別為兩個分頻環路電路中的相對應位置，具體將第一個分頻器112的環路中指定位置處輸出信號d1提供給第二個分頻器112的選擇控制模塊111，第二個分頻器112的環路中與第一個分頻器112指定位置相對應位置處輸出信號d2提供給第一個分頻器112的選擇控制模塊111，以保證分頻器112切換輸入信號後保持正常分頻工作狀態。

如圖2所示，本實施例中選擇控制模塊111具體採用選擇器mux，分頻器112具體為由觸發器1#~4#構成的分頻環路電路，選擇控制模塊111具體連接至分頻環路電路中觸發器2#與觸發器4#之間；輸入時鐘信號分別輸入到各個觸發器中，觸發器1#的輸出信號輸出至觸發器2#、以及通過反相器inv1輸入到觸發器3#，觸發器2#的輸出信號輸出至選擇器mux的一個輸入端，另一路分頻器112中同位置的輸出信號d（即另一路分頻器112中觸發器2#的輸出信號，d1/d2）輸入到選擇器mux的另一個輸入端，選擇器mux的控制端接入由控制信號up、dn生成的反饋控制信號m（m1/m2），選擇器mux的輸出信號輸出至觸發器4#以及與觸發器4#的輸出信號通過與非門nand1反饋到觸發器1#，信號sel4or5用於控制實現4/5分頻效果。當然在其他實施例中，選擇控制模塊111還可以根據實際需求連接在分頻環路電路的其他位置，如圖2中觸發器4#的輸出端等。

本實施例採用上述結構，當鎖相環處於正常鎖定狀態中時，由於up⊕dn=0，兩路反饋控制信號m為0，則選擇控制模塊111控制保持選擇觸發器2#的輸出信號作為輸入信號，當某一路分頻器單元11或者鑑頻鑑相器12受到高能粒子轟擊後產生錯誤信號，使得該路輸出為up⊕dn=1，即反饋控制信號m為1，此時選擇控制模塊111控制切換接入另一路分頻器112中同位置信號d作為輸入信號，直至該路信號恢復正常狀態。

如圖3所述，本實施例中邏輯電路模塊2具體包括四條邏輯支路21，其中兩條邏輯支路21分別接收兩組控制信號中up控制信號所構成的up控制信號組，生成兩路第一開關控制信號，另兩條邏輯支路21分別接收兩組控制信號中dn控制信號所構成的dn控制信號組，生成兩路第二開關控制信號，分別由兩路第一開關控制信號、兩路第二開關控制信號共同控制電荷泵的控制開關。邏輯支路21具體包括依次連接的與運算單元以及非運算單元，每條邏輯支路21接收up控制信號組或dn控制信號組，依次經過與門、非門後產生第一開關控制信號、第二開關控制信號。

如圖3所示，本實施例兩路鑑頻鑑相器12輸出的兩組控制信號具體分別為up1、up2、dn1、dn2，由up1、up2構成up控制信號組，分別輸入至兩條邏輯支路21，依次經過與門、非門後生成第一開關控制信號up_b以及c1_b；由dn1、dn2構成dn控制信號組，分別輸入至另兩條邏輯支路21，依次經過與門、非門後生成第二開關控制信號dn_b以及c2_b，將第一開關控制信號up_b/c1_b以及第二開關控制信號dn_b/c2_b分別輸出給電荷泵的四個控制開關管m1~m4，控制電荷泵的充放電。

本實施例中，電荷泵控制開關模塊3包括由相互連接的第一開關管m1、第二開關管m2構成的第一開關管單元，以及由相互連接的第三開關管m3以及第四開關管m4連接的第二開關管單元，第一開關管m1、第三開關管m3分別接收生成的第一開關控制信號，第三開關管m3以及第四開關管m4分別接收生成的第二開關控制信號，第一開關管m1、第二開關管m2相互連接輸出控制信號i_out以控制電荷泵。具體參見圖4，第三開關管m3的柵極接入一路第一開關控制信號c1_b，其他兩極分別連接至第一開關管m1的兩端，第一開關管m1的柵極接入另一路第一開關控制信號up_b，第二開關管m2的柵極接入一路第二開關控制信號dn_b，第四開關管m4的柵極接入另一路第二開關控制信號c2_b，第四開關管m4的另兩端分別與第二開關管m2的兩端連接，第四開關管m4的一端接地。

當鎖相環為鎖定狀態時，可認為up=dn=0，若分頻器單元11或鑑頻鑑相器12在高能粒子轟擊下產生up=1或者dn=1的錯誤信號，即使由錯誤控制信號將要打開電晶體m1、m2，由於另一組up、dn開關控制信號會同時打開電晶體m3、m4而使得會關閉電晶體m1、m2，進而避免電荷泵cp錯誤充放電。

本實施例採用上述結構，由四條邏輯支路21產生兩組up、dn開關控制信號，一組up、dn開關控制信號控制第一電晶體m1、第二電晶體m2的開關狀態，另一組up、dn開關控制信號控制第三電晶體m3、第四電晶體m4的開關狀態，兩組up、dn開關控制信號共同控制電荷泵的開關，使得當一組up、dn開關控制信號產生錯誤時，另一組up、dn開關控制信號能夠控制關斷開關管，避免由於輻照效應對電荷泵cp產生的錯誤充放電控制，有效提高了鎖相環電路的抗輻照能力，同時能夠消除set輻照效應對電路的影響。

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。