一种抗单粒子瞬态的电荷泵的制作方法

本公开涉及电路技术领域，具体地，涉及一种抗单粒子瞬态的电荷泵。

背景技术：

辐射环境中，高能粒子轰击电路的敏感结点后，碰撞电离出的“电子-空穴”对被传输和收集，使得输出电压或电流产生波动，导致电路产生错误输出，产生单粒子瞬态(single-eventtransient，set)效应。集成电路容易受set影响而导致各种失效。

电荷泵(charge-pump，cp)主要用于锁相环及存储器等电路，是锁相环中对set最为敏感的模块，电荷泵中的set效应导致锁相环输出的最大错误脉冲数比其它模块高出一个量级。电荷泵的电流开关输出是其最敏感结点，这是由于锁相环锁定后，电荷泵中的电流源开关处于关断状态，电荷泵开关由于set会向滤波器注入一个正向或负向瞬态脉冲电流，从而在滤波器电阻上形成瞬态压降并沉积在电容中，使得滤波器输出端电压发生变化并出现峰值脉冲，进而导致锁相环失锁。

目前主要通过电压型电荷泵技术以及检测补偿技术来对电荷泵进行加固，以抵抗set效应。电压型电荷泵技术是以电压型电荷泵代替传统电流型电荷泵，但是由于其电荷泵电流依赖于滤波器电压，因此其锁定过程不稳定，并且其开启时会由于电压跳变而影响锁相环输出质量。检测补偿技术是通过检测补偿的方式减弱电荷泵中set电流的影响，通常设置较大的电流检测阈值以区分正常的电荷泵电流和set电流，极大影响了加固效果，并且出现set电流时，检测补偿中用到运放的开启过程所用时间也影响了加固效果。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种抗单粒子瞬态的电荷泵，解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种抗单粒子瞬态的电荷泵，包括充电模块、放电模块、控制模块、第一分流模块和第二分流模块；所述充电模块用于提供充电电流；所述放电模块用于提供放电电流；所述控制模块用于当所述充电模块处于充电状态且存在单粒子瞬态效应，或所述放电模块处于放电状态且存在单粒子瞬态效应时，接通所述第一分流模块和第二分流模块，否则，断开所述第一分流模块和第二分流模块；所述第一分流模块用于接通状态下对所述充电电流进行分流，使得分流后的充电电流在第一预设范围内；所述第二分流模块用于接通状态下对所述放电电流进行分流，使得分流后的放电电流在第二预设范围内。

可选地，还包括：调节模块，用于调节所述第一分流模块和第二分流模块的电路参数，以使得分流后的充电电流或放电电流在所述第一预设范围或第二预设范围内。

可选地，所述电荷泵中包括三个检测电阻ru、rd、rs，ru用于检测所述充电电流，rd用于检测所述放电电流，rs用于检测所述分流后的充电电流或放电电流。

可选地，所述第一分流模块由所述电阻rd、mos场效应管mn1、开关s2以及比较器cmp2组成，所述电阻rd、mos场效应管mn1、开关s2以及地依次相连，所述电阻rd另一端连接至所述电阻ru，所述比较器cmp2的输入端分别连接至所述电阻ru的两端，所述比较器cmp2的输出端连接至所述开关s2的通断控制端。

可选地，所述第二分流模块由所述电阻ru、mos场效应管mp1、开关s1、反相器以及比较器cmp1组成，所述电阻ru、mos场效应管mp1、开关s1以及电源依次相连，所述电阻ru另一端连接至所述电阻rd，所述比较器cmp1的输入端分别连接至所述电阻rd的两端，所述比较器cmp1的输出端连接至所述反相器的输入端，所述反相器的输出端连接至所述开关s1的通断控制端。

可选地，所述调节模块由电阻rs和运算放大器opa组成，所述运算放大器opa的输入端分别连接至所述电阻rs的两端，所述运算放大器opa的输出端连接至所述第一分流模块或第二分流模块，以根据流过所述电阻rs的电流调节所述电路参数。

可选地，所述充电模块或放电模块的输出电阻与所述电阻ru、rd、rs之间的差值大于预设值。

可选地，所述比较器为抗单粒子瞬变加固比较器，由比较单元、场效应管单元以及锁存单元组成，所述比较单元用于受到单粒子轰击时，控制所述场效应管单元处于高阻态，所述锁存单元用于当所述场效应管单元处于高阻态，保持输出不变。

可选地，所述充电模块具有一输出端up，用于输出所述充电模块的第一状态，所述第一状态为充电状态、充电状态且存在单粒子瞬态效应、充电断开状态中的一种；所述放电模块具有一输出端dn，用于输出所述放电模块的第二状态，所述第二状态为放电状态、放电状态且存在单粒子瞬态效应、放电断开状态中的一种。

可选地，所述控制模块由或非门nor1组成，所述或非门nor1的输入端分别连接至所述输出端up和输出端dn，所述或非门nor1的输出端连接至所述第一分流模块和第二分流模块。

(三)有益效果

本公开提供的抗单粒子瞬态的电荷泵，具有以下有益效果：

(1)当检测到单粒子瞬态引发的电流时，通过接通低阻分流支路将set电流流向电源或地，避免单粒子瞬态电流流出并沉积在后续滤波器中；

(2)通过在正常充放电且不存在单粒子瞬态效应时断开分流支路，避免分流支路误动作，并且使得对set电流的检测阈值不受充放电电流大小影响，具有较大的设计自由度；

(3)通过将控制分流支路通断的电路与控制分流支路阻值的电路分离，运算放大器可一直处于放大状态，无需经历状态转换，提高了响应速度，提高了对单粒子瞬态的抑制能力；

(4)本公开电荷泵仅需对未加固电荷泵进行少许改进，无需调整原电荷泵的参数，可以降低制作成本。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例中抗单粒子瞬态的电荷泵的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例中抗单粒子瞬态的电荷泵中比较器的结构示意图。

附图标记说明：

1-充电模块；2-放电模块；37控制模块；4-第一分流模块；5-第二分流模块；6-调节模块；7-比较单元；8-场效应管单元；9-锁存单元。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开一实施例示出了一种抗单粒子瞬态的电荷泵，参阅图1，对该抗单粒子瞬态的电荷泵(以下简称为电荷泵)进行详细说明。

电荷泵由充电模块1、放电模块2、控制模块3、第一分流模块4和第二分流模块5组成。

充电模块1用于提供充电电流。其包含有一开关，用于接通或断开充电模块1，其还引出有一输出端up，用于输出充电模块1的第一状态，该第一状态为充电状态、充电状态且存在单粒子瞬态效应、充电断开状态中的一种。充电状态为正常工作状态。

放电模块2用于提供放电电流。其包含有一开关，用于接通或断开放电模块2，其还引出有一输出端dn，用于输出放电模块2的第二状态，该第二状态为放电状态、放电状态且存在单粒子瞬态效应、放电断开状态中的一种。放电状态为正常工作状态。此外，放电模块2和充电模块1中最多只能有一个模块的开关处于接通状态，即电荷泵仅能处于充电状态或放电状态或不工作状态。

控制模块3用于当充电模块1处于充电状态且存在单粒子瞬态效应时，或者放电模块2处于放电状态且存在单粒子瞬态效应时，接通第一分流模块4和第二分流模块5，否则，断开第一分流模块4和第二分流模块5。

控制模块3由或非门nor1组成，该或非门nor1为二输入或非门，nor1的两个输入端分别连接至充电模块1的输出端up和放电模块2的输出端dn，nor1的输出端连接至第一分流模块4和第二分流模块5，具体地，连接至第一分流模块4中的比较器cmp2和第二分流模块5中的比较器cmp1的使能控制端。

本公开实施例中，电荷泵中包括有三个检测电阻ru、rd、rs，ru用于检测充电电流，rd用于检测放电电流，rs用于检测分流后的充电电流或放电电流。

第一分流模块4用于接通状态下对充电电流进行分流，使得分流后的充电电流在第一预设范围内。第一预设范围为充电电流的正常范围，根据具体情况确定，这里不做其它限制。第一分流模块4由电阻rd、mos场效应管mn1、开关s2以及比较器cmp2组成，电阻rd、mos场效应管mn1、开关s2以及地依次相连，电阻rd另一端连接至电阻ru，比较器cmp2的输入端分别连接至电阻ru的两端，比较器cmp2的输出端连接至开关s2的通断控制端。mn1为n型mos场效应管，其漏极连接至dt，源极连接至开关s2。

进一步地，比较器cmp2的正输入端连接至充电模块1的充电电流输出端ut，输出端ut与电阻ru一端相连，比较器cmp2的负输入端连接至电阻ru另一端，当cmp2使能控制端有效且电阻ru上流过有充电电流时，比较器cmp2输出高电平以闭合开关s2，电阻rd、mos场效应管mn1、开关s2以及地组成充电电流的分流支路。

第二分流模块5用于接通状态下对充电电流进行分流，使得分流后的放电电流在第二预设范围内。第二预设范围为放电电流的正常范围，根据具体情况确定，这里不做其它限制。第二分流模块5由电阻ru、mos场效应管mp1、开关s1、反相器以及比较器cmp1组成，电阻ru、mos场效应管mp1、开关s1以及电源依次相连，电阻ru另一端连接至电阻rd，比较器cmp1的输入端分别连接至电阻rd的两端，比较器cmp1的输出端连接至反相器的输入端，反相器的输出端连接至开关s1的通断控制端。mp1为p型mos场效应管，其漏极连接至ut，源极连接至开关s1。

进一步地，比较器cmp1的负输入端连接至放电模块2的放电电流输出端dt，输出端dt与电阻rd一端相连，比较器cmp1的正输入端连接至电阻rd另一端，当cmp1使能控制端有效且电阻rd上流过有充电电流时，比较器cmp1输出高电平，并经反相器反相以闭合开关s1，电阻ru、mos场效应管mp1、开关s1以及电源组成放电电流的分流支路。

电荷泵还包括调节模块6，用于调节第一分流模块4和第二分流模块5的电路参数，以使得分流后的充电电流或放电电流在第一预设范围或第二预设范围内。

进一步地，调节模块6由电阻rs和运算放大器opa组成，运算放大器opa的输入端分别连接至电阻rs的两端，运算放大器opa的输出端连接至第一分流模块4和第二分流模块5，以根据流过电阻rs的电流调节电路参数。具体地，opa的输出端连接至mos场效应管mn1、mp1的栅极，其根据流过rs的充电电流或放电电流的大小调节其输出电压，从而调节mos场效应管mn1、mp1的阻值，可以动态控制补偿强度。

本公开实施例中，充电模块1或放电模块2的输出电阻与电阻ru、rd、rs之间的差值大于预设值。该预设值应使得检测电阻ru、rd、rs远远小于充电模块1和放电模块2的输出电阻，从而在存在单粒子瞬态效应时提供低阻分流支路，并在无单粒子瞬态效应时对充放电电流产生影响可忽略不计。

需要说明的是，第一分流支路4中的比较器cmp2和第二分流支路5中的比较器cmp1为抗单粒子瞬变加固比较器，均由比较单元7、场效应管单元8以及锁存单元9组成，比较单元7用于受到单粒子轰击时，控制场效应管单元8处于高阻态，锁存单元9用于当场效应管单元8处于高阻态时，对输出状态进行锁存，从而保持输出不变。

具体地，参阅图2，比较单元7由两个相同的比较器cmp_1、cmp_2组成，场效应管单元8由两个p型mos管mp0、mp1和两个n型mos管mn0、mn1组成，锁存单元9由两个反相器inv1、inv2组成。

比较器cmp_1、cmp_2的正向输入端连接输入端口in+，负向输入端连接输入端口in-，比较器cmp_1的输出端连接mp0和mn1的栅极，比较器cmp_2的输出端连接mp1和mn0的栅极，mp0的源极连接电源，mp0漏极连接mp1的源极，mp1的漏极连接至mn1的漏极，mn1的源极连接mn0的漏极，mn0的源极连接至地，mp1和mn1的漏极还连接至反相器inv1的输入端，反相器inv1的输出端连接至inv2的输入端，inv2的输出端返回连接至inv1的输入端。in+即为比较器cmp2或cmp1的正向输入端，in-即为比较器cmp2或cmp1的负向输入端，inv1的输出端out即为比较器cmp2或cmp1的输出端。

该抗单粒子瞬变加固比较器收到单粒子轰击，两个比较器cmp_1、cmp_2中的一个由于set效应而出现输出状态暂时性翻转时，该输出状态翻转的比较器仅驱动两个mos管的状态发生变化，如cmp_1输出状态翻转可驱动mp0、mn1状态发生变化，cmp_2输出状态翻转可驱动mp1、mn0状态发生变化，从而使得四个mos管构成的电路为高阻输出，而invl以及inv2首尾相连构成的锁存单元9能够保持原态，因此即使其中一个比较器受到单粒子轰击输出逻辑发生变化，该抗单粒子瞬变加固比较器的输出端仍维持原状态。

综上所述，当充电模块1处于充电状态且受到单粒子轰击时，放电模块2不工作，nor1输出高电平，cmp1和cmp2使能有效，由于ru中有充电电流，因此cmp2输出高电平以闭合s2，rd、mn1、s2以及地形成一分流支路，以对单粒子轰击下的充电电流进行分流，并且opa通过检测流过rs的电流大小以调节mn1的阻值，从而使得最终输出的充电电流在预设范围内。当放电模块2处于放电状态且受到单粒子轰击时，充电模块1不工作，nor1输出高电平，cmp1和cmp2使能有效，由于rd中有放电电流，因此cmp1输出高电平以闭合s1，ru、mp1、s1以及电源形成一分流支路，以对单粒子轰击下的放电电流进行分流，并且opa通过检测流过rs的电流大小以调节mp1的阻值，从而使得最终输出的放电电流在预设范围内。其他情况下，即充电模块1处于正常充电状态(包括放电模块2受到单粒子轰击和未受到单粒子轰击)，或放电模块2(包括充电模块1受到单粒子轰击和未受到单粒子轰击)处于正常放电状态，或充电模块1和放电模块2都不工作，此时nor1输出低电平，cmp1和cmp2使能无效，第一分流模块4和第二分流模块5处于断开状态，从而防止引起错误补偿。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。