专利名称：单粒子瞬态脉冲宽度测量电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电脉冲宽度测量技术领域，特别涉及一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路。
背景技术：
随着航天、军事等领域技术的发展，越来越多的集成电路需要在辐射环境下工作。辐射对集成电路的效应主要分为两大类单粒子效应和总剂量效应，总剂量效应是集成电路长期处在辐射环境中，辐射效果积累所产生的效应，单粒子效应是辐射能量粒子进入集成电路后，辐射效果即时作用所产生的效应。其中单粒子效应可细分为三类I、单粒子软错误效应包括单粒子反转效应，单粒子瞬变效应，单粒子多翻转效应等，在短时间内对电路节点产生干扰。2、具有潜在危险性的效应如单粒子闩锁效应，如不加以控制，可能会导致芯片发生单粒子烧毁。3、单粒子硬错误效应，如位移损伤等，会使得芯片中的晶体管彻底不能工作。其中，单粒子瞬变效应是常见的影响芯片性能的主要因素，当芯片放置在有辐射的环境中，周围能量粒子会注入到芯片内部，通过电离辐射能量粒子的运动轨迹上产生一定数目的电子、空穴对，它们在电场的作用下被电路节点吸收，改变节点电平，如果没有反馈回路，那么当单粒子作用的时间结束后，该节点电平又会恢复回原来的值，从而在电路中产生一个脉冲信号。对于单粒子效应进行研究与加固，必须搭建有效的测试环境，对瞬态脉冲信号宽度等特征进行准确测量。其中测试环境往往选择地面辐照实验，通过模拟产生宇宙射线粒子对待测芯片进行轰击试验，模拟真实的宇宙空间辐射环境。在对脉冲信号宽度进行测量时，根据入射粒子种类能量等不同，产生的单粒子脉冲信号电平维持时间也不同，脉冲宽度可以从几十PS到一千PS以上。如果采用传统的示波器或逻辑分析仪等检测设备测量单粒子瞬态脉冲宽度，对设备的频率要求非常高，国内往往不能生产而国外又禁止输出，测试成本高，实现难度非常大。如果采用片上电路进行测试，现有的脉冲宽度测量方法往往通过外部输入高频信号对脉冲信号采样来进行测量，因此捕获精度受采样信号的频率和性能影响，实际测试中也难以提供频率极高，波形特点又十分优良的采样信号，可测范围小，测量精度低。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于测量单粒子瞬态脉冲信号脉冲宽度，测试过程中不需要外加采样时钟，并可针对待测信号特点，通过更改电路尺寸和级数，确定合适的采样精度和输出位数的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路。根据本发明的一个方面，提供一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括单粒子脉冲信号产生电路(103)及至少一级测量电路；所述单粒子脉冲信号产生电路(103)产生待测单粒子脉冲信号；其中，由待测单粒子脉冲信号直接驱动的双稳态电路(100)构成测量电路的第一级；从测量电路的第二级开始，每一级电路分别包括延迟电路(101)、逻辑门电路(102)和双稳态电路(100)；其中在第二级电路中，延迟电路(101)的输入信号是待测信号；逻辑门电路(102)的输入信号是该延迟电路(101)的输出信号和第一级双稳态电路(100)的输出信号；逻辑门电路(102)的输出信号是本级双稳态电路(100)的输入信号；从第三级电路开始各级所述延迟电路(101)输入信号的来源是上一级逻辑门电路(102)的输出信号；所述逻辑门电路(102)的输入信号是本级延迟电路(101)的输出信号和上一级双稳态电路(100)的输出信号；本级逻辑门电路(102)的输出信号是本级双稳态电路(100)的输入信号。进一步地，所述双稳态电路(100)具有两个稳定状态，在对待测单粒子脉冲信号
进行测量前，输出能够处于一个确定的稳定状态，在对输入待测单粒子脉冲信号进行测量时，只要输入信号发生翻转并维持足够长的时间，双稳态电路能够从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，输出信号电平发生改变。进一步地，当所述延迟电路(101)输入信号为脉冲信号，输出也是脉冲信号，并且输出脉冲信号变化的开始时刻提前于上级双稳态电路(100)的输出信号的变化时刻,输出脉冲信号变化的结束时刻晚于上级双稳态电路(100)的输出信号的变化时刻。进一步地，所述逻辑门电路(102)在本级延迟电路(101)的输出信号及上一级双稳态电路(100)的输出信号都发生变化时，输出信号才发生改变。进一步地，各级选用的双稳态电路(100)、延迟电路(101)及逻辑门电路(102)的结构相同或不同。进一步地，所述双稳态电路(100)的输出端仅有一个输出端引出或同时引出两个互补输出端；当双稳态电路只有一个输出端引出时，该端同时测量电路结果输出端(out端)和下一级逻辑门电路(102)的输入端；当双稳态电路有两个互补输出端引出时，将两个输出端分别作为测量电路结果输出端(out端)和下一级逻辑门电路(102)的输入端。根据本发明提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路通过改变电路的级数和电路结构、尺寸等可以分别控制每级输出结果，能够调节测试位数和每级比较的测试精度，更好的适合所测单粒子瞬态脉冲的特点，可测脉冲宽度范围大，测量精度高。
图I是本发明实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路结构示意图。图2为本发明实施例提供的双稳态电路为RS锁存器的结构示意图。图3为本发明实施例提供的延迟电路101为两级反相器级联的结构示意图。图4为本发明实施例提供的延迟电路工作情况的示意图。图5为本发明实施例提供的逻辑门电路为与门的示意图。图6为本发明实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路整体工作的波形示意图。
具体实施例方式如图I所示，本发明实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括单粒子脉冲信号产生电路(103)及至少一级测量电路(例如，可以由4级电路构成，当然根据测量的需要，不限于此)。其中，由待测信号单粒子脉冲(该待测单粒子脉冲信号由单粒子脉冲信号产生电路103产生)直接驱动的双稳态电路100构成测量电路的第一级。从测量电路的第二级开始，每一级电路分别包括延迟电路101、逻辑门电路102和双稳态电路100 ;其中，在第二级电路中延迟电路101的输入信号是待测信号。逻辑门电路102的输入信号是该延迟电路101的输出信号和第一级双稳态电路100的输出信号。逻辑门电路102的输出信号是本级双稳态电路100的输入信号。从第三级电路开始各级延迟电路101输入信号的来源是上一级逻辑门电路102
的输出信号。逻辑门电路102的输入信号是本级延迟电路101的输出信号和上一级双稳态电路100的输出信号。本级逻辑门电路102的输出信号是本级双稳态电路100的输入信号。当所述延迟电路101输入信号为脉冲信号，输出也是脉冲信号，并且输出脉冲信号变化的开始时刻提前于上级双稳态电路100的输出信号的变化时刻，输出脉冲信号变化的结束时刻晚于上级双稳态电路100的输出信号的变化时刻。双稳态电路100的输出端可以仅有一个输出端引出或同时引出两个互补输出端；当双稳态电路只有一个输出端引出时，该端同时作为测量电路结果输出端(out端)和下一级逻辑门电路102的输入端；当双稳态电路有两个互补输出端引出时，可以将两个输出端分别作为测量电路结果输出端out端和下一级逻辑门电路102的输入端。各级选用的双稳态电路100、延迟电路101及逻辑门电路102的结构，可以相同也可以不同。其中，各级双稳态电路100可选为基本RS锁存器。图2为RS锁存器示意图，为了保证RS锁存器在单粒子脉冲信号变化前能够维持一个稳定的状态，将各级锁存器的R输入端连接到一个统一的reset信号上。将RS锁存器的S信号输入端，作为输入信号端，outl,out2,...等分别连接对应锁存器的Q输出端，该端同时提供给逻辑门电路作输入端。参见图3，延迟电路101为两级反相器级联构成，其中PMOS管宽长比为I. 5/0. 18，NMOS管宽长比为O. 5/0. 18。各级延迟电路101应根据输入脉冲的电平持续时间，选择合适的电路尺寸，使得本级延迟电路101的输出信号变化早于上一级双稳态电路100的输出信号变化。在实际电路设计过程中，可以根据输入待测脉冲的电平持续时间，采用仿真方法，通过尝试不同的电路尺寸和电路结构，使得各级锁存器的输出翻转情况同脉冲宽度之间的对应关系更加符合设计要求。参见图4，input为本级延迟电路的输入信号，al为本级延迟电路的输出信号，outl为上级锁存器输出信号，延迟电路的输出信号al的变化的开始时刻，即al的上升沿提前于上级锁存器的输出outl的变化；al变化的结束时刻，即al的下降沿晚于outl的变化，符合设计要求。此时通过本级逻辑门电路的操作，逻辑门电路的输出信号宽度即为al同outl均为高电平时的宽度，该宽度短于输入信号的宽度，从而使得输入给各级RS锁存器的输入信号逐级变短，对于给定的输入脉冲宽度，测试电路级数足够多时，最后几级锁存器的输入脉冲宽度将短到不足以驱动该锁存器进行翻转。输入的脉冲宽度越宽，所能驱动翻转的锁存器级数越多，输入脉冲宽度的测量结果即可通过翻转的锁存器数目来进行比较。参见图5，逻辑门电路102是与门。与门采用与非门同非门级联的形式构成，其中PMOS管宽长比为I. 5/0. 18，NMOS管宽长比为O. 5/0. 18。输入信号分别为inputl和input2，输出信号为out。各级逻辑门电路102只有在本级延迟电路101的输出信号及上一级双稳态电路100的输出信号都发生变化时，输出信号才发生改变。参见图6，本发明单粒子瞬态脉冲宽度测量电路整体工作情况的波形示意，其中input为输出待测单粒子脉冲信号，高电平宽度为150ps，reset为复位信号，outl, out2,OUt3，OUt4分别为第一至第四级电路的输出信号，在工作过程中，各级RS锁存器，首先在统一的reset控制信号下复位，Q端的初始输出均为0，之后如果输入信号发生翻转，并维持足够长时间(时间是要保证使得锁存器输出发生翻转的时间)，则能够使得锁存器的输出信号发生翻转并保持下去，直到再一次输入置位/复位信号使得输出恢复到初始状态。当脉冲宽度为150ps时，可以驱动两级锁存器翻转。重复改变输入脉冲宽度，即可作出脉冲宽度同翻转个数对应表格，如表I所示，据此即可根据实际锁存器翻转情况，反推出所测脉冲宽度。表I
权利要求
1.一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其特征在于 包括单粒子脉冲信号产生电路(103)及至少一级测量电路； 所述单粒子脉冲信号产生电路(103)产生待测单粒子脉冲信号； 其中，由待测单粒子脉冲信号直接驱动的双稳态电路(100)构成测量电路的第一级；从测量电路的第二级开始，每一级电路分别包括延迟电路(101)、逻辑门电路(102)和双稳态电路(100)； 其中在第二级电路中，延迟电路(101)的输入信号是待测信号；逻辑门电路(102)的输入信号是该延迟电路(101)的输出信号和第一级双稳态电路(100)的输出信号；逻辑门电路(102)的输出信号是本级双稳态电路(100)的输入信号； 从第三级电路开始各级所述延迟电路(101)输入信号的来源是上一级逻辑门电路(102)的输出信号；所述逻辑门电路(102)的输入信号是本级延迟电路(101)的输出信号和上一级双稳态电路(100)的输出信号；本级逻辑门电路(102)的输出信号是本级双稳态电路(100)的输入信号。
2.根据权利要求I所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其特征在于 所述双稳态电路(100)具有两个稳定状态，在对待测单粒子脉冲信号进行测量前，输出能够处于一个确定的稳定状态，在对输入待测单粒子脉冲信号进行测量时，只要输入信号发生翻转并维持足够长的时间，双稳态电路能够从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，输出信号电平发生改变。
3.根据权利要求I所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其特征在于 当所述延迟电路(101)输入信号为脉冲信号，输出也是脉冲信号，并且输出脉冲信号变化的开始时刻提前于上级双稳态电路(100)的输出信号的变化时刻，输出脉冲信号变化的结束时刻晚于上级双稳态电路(100)的输出信号的变化时刻。
4.根据权利要求I所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其特征在于 所述逻辑门电路(102)在本级延迟电路(101)的输出信号及上一级双稳态电路(100)的输出信号都发生变化时，输出信号才发生改变。
5.根据权利要求I所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其特征在于 各级选用的双稳态电路(100)、延迟电路(101)及逻辑门电路(102)的结构相同或不同。
6.根据权利要求I所述的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，其特征在于 所述双稳态电路(100)的输出端仅有一个输出端引出或同时引出两个互补输出端； 当双稳态电路只有一个输出端引出时，该端同时测量电路结果输出端(out端)和下一级逻辑门电路(102)的输入端； 当双稳态电路有两个互补输出端引出时，将两个输出端分别作为测量电路结果输出端(out端)和下一级逻辑门电路(102)的输入端。
全文摘要
本发明公开单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括单粒子脉冲信号产生电路(103)及至少一级测量电路；由双稳态电路构成测量电路的第一级；从测量电路的第二级开始，每一级电路包括延迟电路、逻辑门电路和双稳态电路；其中第二级电路中，延迟电路的输入信号是待测信号；逻辑门电路的输入信号是该延迟电路的输出信号和第一级双稳态电路的输出信号；逻辑门电路输出信号是本级双稳态电路的输入信号；从第三级电路开始各级延迟电路输入信号是上一级逻辑门电路的输出信号；逻辑门电路的输入信号是本级延迟电路的输出信号和上一级双稳态电路的输出信号；本级逻辑门电路的输出信号是本级双稳态电路的输入信号。本发明可测的脉冲宽度范围大，测量精度高。
文档编号G01R29/02GK102818939SQ20111015223
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者宿晓慧, 毕津顺 申请人:中国科学院微电子研究所