一种具有抗单粒子效应功能的VCO偏置电路的制作方法

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种适用于锁相环中具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路。

背景技术：

随着航天、航空事业的迅猛发展和集成电路工艺尺寸的不断减小，辐射效应对电子系统工作状态的影响日益严峻，甚至会导致系统崩溃。模拟电路中锁相环（pll）为其中一个关键部分，为整个电路系统提供所需的时钟信号，而锁相环中压控振荡（vco）为产生时钟部分，其抗set（singleeventtransient，单粒子瞬变）性能将直接影响输出时钟。在vco中，其偏置电路部分的辐照敏感性更为严重，偏置电路在高能粒子撞击下会使振荡环路停止振荡大量周期，而振荡环路在辐照效应影响下仅会影响输出时钟相位变化，并能很快锁定，所以vco偏置电路的抗辐照加固更为重要。

为提高vco偏置电路抗辐照性能，一种方法是通过对已有工艺进行改进，如中国专利申请（200510029396）公开一种基于绝缘体上的硅材料的场效应晶体管抗辐照加固方法，在器件级通过减少辐照引起的背沟漏电流的方法，能够在一定程度上提高电路抗辐照能力，但电路整体抗辐照能力的作用仍然较小，且对已有工艺进行改进，会极大的增大设计成本；另一种方法是采用双偏置电路技术，能够有效的提高抗辐照性能，但现有的双偏置电路中负载电阻偏置电压产生电路、与尾电流电路偏置电压产生电路相互之间会产生影响，因而对提高vco偏置电路的抗辐照性能仍然有限，尤其是对于能量较大的高能粒子撞击，双偏置vco仅与原vco的抗辐照能力相当。

如图1所示的vco双偏置电路，包括开关管m1、m2以及差分放大器a1，输出电压vbisa_p与vbias_b分别为vco振荡环路中负载电阻、尾电流电路提供偏置电压，即由开关管m1、m2产生偏置电压vbisa_p作为负载电阻偏置电压，偏置电压vbisa_p与差分放大器a1再产生偏置电压vbias_b作为尾电流电路偏置电压；当高能粒子轰击开关管m1或者m2的漏极时，会产生脉冲电流引起vbisa_p电压波动，该电压波动不仅会直接影响vco振荡环路的工作状态，还会通过差分放大器a1引起vbias_b电压波动，从而进一步影响vco振荡环路的工作状态，抗辐照能力仍然不高。

技术实现要素：

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，本发明提供一种具有结构简单、所需成本低、能够抗单粒子效应，抗辐照性强的具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路，包括负载电阻偏置模块以及尾电流电路偏置模块，所述负载电阻偏置模块通过第一开关管单元产生第一偏置电压输出给vco环路中负载电阻，所述尾电流电路偏置模块通过第二开关管单元产生第二偏置电压，输出给vco环路中尾电流电路、以及分别反馈给所述第一开关管单元、第二开关管单元。

作为本发明的进一步改进：所述第一开关管单元包括第一开关管m4以及第二开关管m5，所述第一开关管m4与所述第二开关管m5相连以产生所述第一偏置电压，所述第一开关管m4连接控制电源端，所述第二开关管m5接入所述尾电流电路偏置模块反馈的所述第二偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述第二开关管单元包括第三开关管m6、第四开关管m7，所述第三开关管m6与所述第四开关管m7相连以产生第三偏置电压，所述第三开关管m6连接控制电源端，所述第四开关管m7接入所述尾电流电路偏置模块反馈的所述第二偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述负载电阻偏置模块通过所述第二开关管m5的栅极与所述尾电流电路偏置模块中第四开关管m7的栅极连接以接入所述尾电流电路偏置模块反馈的所述第二偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述第一开关管单元包括两条开关支路，每条所述开关支路包括相互连接的两个开关管，且其中一个开关管连接控制电源端，另一个开关管接入所述尾电流电路偏置模块反馈的所述第二偏置电压，两条开关支路之间通过第一滤波单元连接以输出所述第一偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述第一滤波单元包括两个电阻r以及电容c，两个所述电阻r的一端分别对应连接一条所述开关支路，另一端与所述电容c连接以输出所述第一偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述尾电流电路偏置模块还包括与所述第二开关管单元连接的放大单元，所述放大单元接入所述第二开关管单元产生的第一偏置电压，输出放大后的偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述放大单元包括差分放大器a2，所述差分放大器a2的正相输入端接入所述第一偏置电压，反相输入端接入控制电源vc。

作为本发明的进一步改进：所述尾电流电路偏置模块的输出端还设置有第二滤波单元，通过所述第二滤波单元滤波后输出所述第二偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述第二滤波单元为rc低通滤波器，包括电阻r1以及电容m8，所述电阻r1的一端连接所述放大单元的输出端，另一端通过所述电容m8接地。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路，通过设置负载电阻偏置模块、尾电流电路偏置模块两个电路模块，分别产生提供给vco环路中负载电阻、尾电流电路的偏置电压，使得当其中一路电路产生脉冲电流时不会影响另一路电路的状态，当高能粒子轰击其中一路电路中开关管时，产生的脉冲电流仅仅影响当前电路产生的偏置电压，不会影响另一路电路的偏置电压，也不会影响vco下级电路的工作状态，负载电阻偏置模块、尾电流电路偏置模块之间能够实现伪断开的隔离功能，有效提高了vco偏置电路的抗辐照性能；

2）本发明具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路，进一步的在尾电流电路偏置模块输出端设置有滤波模块，当高能粒子轰击尾电流电路偏置模块的开关管时，能够减弱辐照效应对尾电流电路偏置电压的影响，从而进一步提高电路的抗辐照性能，结合负载电阻偏置模块、尾电流电路偏置模块伪断开的隔离设置，能够使得既不会影响vco中本级电路又不会影响下级电路的辐照敏感节点，极大的提高了电路的抗辐照性能。

附图说明

图1是传统的vco双偏置电路结构示意图。

图2是本发明具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路的结构原理示意图。

图3是本发明实施例1具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路的结构示意图。

图4是本发明实施例1中vco偏置电路在辐照效应下的结构原理示意图。

图5是本发明实施例2具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路的结构示意图。

图6是传统降低滤波器电压波动的实现原理示意图。

图例说明：1、负载电阻偏置模块；11、第一开关管单元；12、第一滤波单元；2、尾电流电路偏置模块；21、第二开关管单元；22、放大单元；23、第二滤波单元。

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2所示，本发明具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路包括负载电阻偏置模块1以及尾电流电路偏置模块2，负载电阻偏置模块1通过第一开关管单元11产生第一偏置电压vbias_p输出给vco环路中负载电阻，尾电流电路偏置模块2通过第二开关管单元21产生第二偏置电压vbias_b，输出给vco环路中尾电流电路、以及分别反馈给第一开关管单元11、第二开关管单元21。

本实施例采用上述vco偏置电路，通过两个电路模块分别产生提供给vco环路中负载电阻的第一偏置电压vbias_p、提供给vco环路中尾电流电路的第二偏置电压vbias_b，提供给尾电流电路的偏置电压同时反馈给第一开关管单元11、第二开关管单元21，能够保持vco偏置电路的正常工作状态，同时负载电阻偏置模块1、尾电流电路偏置模块2之间实现伪断开的隔离功能，其中：

当高能粒子轰击第一开关管单元11中开关管时，由于负载电阻偏置模块1、尾电流电路偏置模块2为两个模块相互隔离，第一开关管单元11产生的脉冲电流仅会引起负载电阻的偏置电压波动，不会影响尾电流电路的偏置电压状态，也不会进一步影响vco下级电路vco振荡环路的工作状态；

当高能粒子轰击第二开关管单元21中开关管时，由于负载电阻偏置模块1、尾电流电路偏置模块2为两个模块相互隔离，则第二开关管单元21产生的脉冲电流仅会引起尾电流电路的偏置电压波动，不会影响负载电阻的偏置电压状态，从而有效提高了vco偏置电路的抗辐照性能。

本发明中，尾电流电路偏置模块2还包括与第二开关管单元21连接的放大单元22，放大单元22接入第二开关管单元21产生的第一偏置电压vbias_p，输出放大后的偏置电压。

本发明中，尾电流电路偏置模块2的输出端还设置有第二滤波单元23，第二滤波单元23与放大单元22的输出端连接，通过第二滤波单元23对放大后的偏置电压进行滤波后，输出提供给尾电流电路的第二偏置电压vbias_b。通过在尾电流电路偏置模块2的输出端设置第二滤波单元23，当高能粒子轰击第二开关管单元21时，产生的脉冲电流会经过第二滤波单元23进行滤波，能够减弱辐照效应对提供给尾电流电路的第二偏置电压vbias_b的影响，从而进一步提高电路的抗辐照性能，结合上述负载电阻偏置模块1、尾电流电路偏置模块2之间伪断开的隔离设置，能够使得既不会影响本级电路又不会影响下级电路的辐照敏感节点，极大的提高了电路的抗辐照性能。

实施例1：

本实施例中具有抗单粒子效应功能的vco偏置电路如图3所示，其中第一开关管单元11包括第一开关管m4以及第二开关管m5，第一开关管m4的栅极连接控制电压vc，源极连接电源vdd，第二开关管m5的源级接地，第一开关管m4的漏极与第二开关管m5的漏极相连以产生提供给负载电阻的第一偏置电压vbias_p；第二开关管单元21包括第三开关管m6、第四开关管m7，第三开关管m6的栅极连接控制电压vc，源极连接电源vdd，第四开关管m7的源级接地，第三开关管m6的漏极与第四开关管m7的漏极相连以产生偏置电压vbias_p2。负载电阻偏置模块1通过第二开关管m5与尾电流电路偏置模块2中第四开关管m7连接，具体第二开关管m5的栅极与第四开关管m7的栅极连接，并接入尾电流电路偏置模块2反馈的第二偏置电压vbias_b。

本实施例中放大单元22包括差分放大器a2，差分放大器a2的反相输入端连接控制电压vc，正相输入端分别连接第三开关管m6的漏极、第四开关管m7的漏极以接入偏置电压vbias_p2，输出端输出放大后的偏置电压。

如图3所示，本实施例中第二滤波单元23具体采用rc低通滤波器，包括电阻r1以及电容m8，电阻r1的一端连接放大单元22的输出端，另一端通过电容m8接地，其中电容m8具体为电容晶体管，电容晶体管通过源级、漏极接地，以及通过栅极输出提供给尾电流电路的第二偏置电压vbias_b。

如图4所示，本实施例上述vco偏置电路正常工作时，产生两路偏置电压，一路由第三开关管m6、第四开关管m7构成以产生偏置电压vbias_p2，偏置电压vbias_p2仅与控制电压vc通过差分放大器a2生成尾电流电路的第二偏置电压vbias_b；另一路由第一开关管m4、第二开关管m5构成以产生负载电阻的第一偏置电压vbias_p，仅为vco负载电阻提供偏置电压。当高能粒子轰击第一开关管m4或者第二开关管m5的漏极时，则产生的脉冲电流仅仅影响提供给vco负载电阻的第一偏置电压vbias_p；当高能粒子轰击第三开关管m6或者第四开关管m7的漏极时，则产生的脉冲电流仅通过差分放大器a2影响提供给尾电流电路的第二偏置电压vbias_b，负载电阻偏置模块1、尾电流电路偏置模块2之间能够实现伪断开隔离功能且不会影响vco偏置电路正常工作，且不会影响下级电路的辐照敏感节点，有效提高了电路的抗辐照性能。

如图4所示，本实施例上述vco偏置电路由于在差分放大器a3输出端加入第二滤波单元23，当高能粒子轰击第三开关管m6或者第四开关管m7的漏极时，经第二滤波单元23输出提供给尾电流电路的第二偏置电压vbias_b，能够减弱辐照效应对提供给尾电流电路的第二偏置电压vbias_b的影响，从而进一步提高电路的抗辐照性能。

实施例2：

如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于负载电阻偏置模块1中第一开关管单元11包括两条开关支路，每条开关支路包括相互连接的两个开关管，且其中一个开关管连接控制电源端，另一个开关管接入尾电流电路偏置模块2反馈的第二偏置电压，每条开关支路的结构具体与实施例1中负载电阻偏置模块1电路结构相同，两条开关支路之间通过第一滤波单元12连接以输出第一偏置电压vbias_p。

如图5所示，本实施例第一滤波单元12包括两个电阻r以及电容c，两个电阻r的一端分别对应连接一条开关支路，另一端与电容c连接，电阻r与电容c之间为输出端口输出第一偏置电压vbias_p。

本实施例vco偏置电路，结合滤波器以及负载电阻偏置模块1伪断开设置产生第一偏置电压vbias_p，任何一路开关支路受到高能粒子轰击，产生的脉冲电流都会通过第一滤波单元12流出，从而减小输出电压波动，能够进一步提高vco偏置电路的抗单粒子能力。

通过设置滤波器可以实现输出滤波，在一级开关支路的基础上设置滤波器，为减少滤波器对输出电压的波动，如图6，传统方式是通过复制n次电路以将等效电阻降为原来的1/n，使得降低电压波动，但是n次电路所需的驱动力大，后续需要具有较大驱动力的放大器进行驱动。本实施例通过负载电阻偏置模块1伪断开设置，由两路开关支路通过第一滤波单元12输出偏置电压，能够保持输出电压稳定的同时，大量减小前级电路的设置，无需设置多次前级电路即可实现电压稳定，一级电路所需的驱动力小，能够避免产生后续放大器a2对前级电路的驱动不足问题，可以适用于驱动能力不高的vco电路中，适用范围广。

本实施例上述负载电阻偏置模块1、尾电流电路偏置模块2的具体结构均可以根据实际需求采用其他电路结构，其原理与上述一致，在此不再进行赘述。

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。