專利名稱：單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電脈沖寬度測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路。
背景技術(shù)：
隨著航天電子器件集成度的不斷提高，空間輻射已經(jīng)成為影響航天器可靠性和運行壽命的重要因素。輻射對集成電路的影響主要分為兩大類單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)?？倓┝啃?yīng)是集成電路長期處在輻射環(huán)境中，輻射效果積累所產(chǎn)生的效應(yīng)；單粒子效應(yīng)是輻射能量粒子進入集成電路后，輻射效果即時作用所產(chǎn)生的效應(yīng)。其中單粒子效應(yīng)可細分為三類I、單粒子軟錯誤效應(yīng)包括單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，單粒子瞬變效應(yīng)，單粒子多翻轉(zhuǎn)效應(yīng)等，在短時間內(nèi)對電路節(jié)點產(chǎn)生干擾。2、具有潛在危險性的效應(yīng)如單粒子閂鎖效應(yīng)，如不加以控制，可能會導(dǎo)致芯片發(fā)生單粒子燒毀。3、單粒子硬錯誤效應(yīng)，如位移損傷等，會使得芯片中的晶體管徹底不能工作。其中，單粒子瞬變效應(yīng)是常見的影響芯片性能的主要因素，當(dāng)芯片放置在輻射環(huán)境中，周圍能量粒子會注入到芯片內(nèi)部，通過電離輻射在能量粒子的運動軌跡上產(chǎn)生一定數(shù)目的電子、空穴對，這些電子、空穴對會在電場的作用下被電路節(jié)點吸收，改變節(jié)點電平，如果沒有反饋回路，那么當(dāng)單粒子作用的時間結(jié)束后，該節(jié)點電平又會恢復(fù)回原來的值，從而在電路中產(chǎn)生一個脈沖信號。為了深入研究單粒子效應(yīng)的發(fā)生機理、規(guī)律，測量各種星載電子元器件和集成電路的輻射敏感參數(shù)，評價其抗單粒子效應(yīng)的水平和故障風(fēng)險，為器件選型和抗輻射加固措施提供依據(jù)，需要搭建有效的測量環(huán)境，對瞬態(tài)脈沖信號寬度等特征進行準確測量。其中測量環(huán)境往往選擇地面輻照實驗，通過模擬產(chǎn)生宇宙射線粒子對待測芯片進行轟擊試驗，模擬真實的宇宙空間輻射環(huán)境。在對脈沖信號寬度進行測量時，根據(jù)入射粒子種類、能量等不同，產(chǎn)生的單粒子脈沖信號電平維持時間也不同，脈沖寬度可以從幾十皮秒到一千皮秒以上。如果采用傳統(tǒng)的示波器或邏輯分析儀等檢測設(shè)備測量單粒子瞬態(tài)脈沖寬度，要求測量設(shè)備的頻率必須非常高，這樣的高頻設(shè)備往往國內(nèi)不能生產(chǎn)，國外也禁止輸出，這使得測量成本非常高，實現(xiàn)難度大。如果采用片上電路進行測量，現(xiàn)有的脈沖寬度測量方法往往通過外部輸入高頻信號對脈沖信號采樣來進行測量，因此捕獲精度受采樣信號的頻率和波形影響，實際測量中也難以提供頻率極高，波形特點又十分優(yōu)良的采樣信號，使得電路可測范圍小，測量精度低。

發(fā)明內(nèi)容
針對之前測量電路可測范圍小，測量精度低的缺點，本發(fā)明提供一種單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，包括
控制信號產(chǎn)生電路，具有單粒子脈沖接收端、脈沖開始信號輸出端和脈沖結(jié)束信號輸出端，當(dāng)在單粒子脈沖接收端接收到單粒子脈沖信號，脈沖開始信號輸出端輸出的脈沖開始信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)該單粒子脈沖信號結(jié)束時，脈沖結(jié)束信號輸出端輸出的脈沖結(jié)束信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)； 至少一級延時翻轉(zhuǎn)電路，每級延時翻轉(zhuǎn)電路具有翻轉(zhuǎn)輸入端、使能輸入端和翻轉(zhuǎn)輸出端，翻轉(zhuǎn)輸入端的信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)后經(jīng)過一定延時將使翻轉(zhuǎn)輸出端輸出信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)使能輸入端的使能信號輸入無效時，翻轉(zhuǎn)輸出端輸出信號將不隨翻轉(zhuǎn)輸入端信號變化，即，翻轉(zhuǎn)輸出端信號保持不變。其中，所述脈沖開始信號輸出端連接到第一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端，其后每一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端連接上一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸出端，脈沖結(jié)束信號輸出端連接到所有延時翻轉(zhuǎn)電路的使能輸入端。根據(jù)本發(fā)明提供的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，通過改變電路級數(shù)和電路結(jié)構(gòu)、電路尺寸等可以控制每級輸出結(jié)果，能夠調(diào)節(jié)測量位數(shù)和每級比較的測量精度，更好的適合所測單粒子瞬態(tài)脈沖的特點，可測脈沖寬度范圍大，測量精度高。


圖I為本發(fā)明的一個實施例提供的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的一個實施例提供的控制信號產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的一個實施例提供的控制信號產(chǎn)生電路工作波形示意圖；圖4為本發(fā)明的一個實施例提供的帶邏輯功能的雙穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的一個實施例提供的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路測量一個單粒子瞬態(tài)脈沖的整體工作波形示意具體實施例方式圖I所示為連接了單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路100的，本發(fā)明的一個實施例提供的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，包括控制信號產(chǎn)生電路101及至少一級延時翻轉(zhuǎn)電路102。圖I中示出延時翻轉(zhuǎn)電路102有η級(例如，可以由5級電路構(gòu)成)。下文中在測量特定寬度范圍的單粒子脈沖信號時，采用5級延時翻轉(zhuǎn)電路，當(dāng)然根據(jù)測量需要，不限于此。根據(jù)本發(fā)明的實施例，每級延時翻轉(zhuǎn)電路102由帶邏輯功能的雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成。每級延時翻轉(zhuǎn)電路102包括翻轉(zhuǎn)輸入端、使能輸入端和翻轉(zhuǎn)輸出端,其中當(dāng)使能輸入端的使能信號輸入有效時，翻轉(zhuǎn)輸入端的信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)后經(jīng)過一定延時將使翻轉(zhuǎn)輸出端輸出信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)使能輸入端的使能信號輸入無效時，翻轉(zhuǎn)輸出端輸出信號將不隨翻轉(zhuǎn)輸入端信號變化，即，翻轉(zhuǎn)輸出端信號保持不變。控制信號產(chǎn)生電路101，具有單粒子脈沖接收端、脈沖開始信號輸出端和脈沖結(jié)束信號輸出端，當(dāng)在單粒子脈沖接收端接收到單粒子脈沖產(chǎn)生電路100產(chǎn)生的單粒子脈沖信號時，脈沖開始信號輸出端輸出的脈沖開始信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)該單粒子脈沖信號結(jié)束時，脈沖結(jié)束信號輸出端輸出的脈沖結(jié)束信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)；其中，由單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路100產(chǎn)生待測單粒子脈沖信號input，輸入到控制信號產(chǎn)生電路101的單粒子脈沖接收端。該脈沖信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)時驅(qū)動控制信號產(chǎn)生電路101在脈沖開始信號輸出端輸出的脈沖開始信號begin信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)該脈沖信號結(jié)束時，脈沖結(jié)束信號輸出端輸出的脈沖結(jié)束信號end信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)。其中將脈沖開始信號begin信號輸入到第一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端，從第二級延時翻轉(zhuǎn)電路開始，每一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端連接到上一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸出端outl/. . . /η-i。將所述脈沖結(jié)束信號end信號連接到所有各級延時翻轉(zhuǎn)電路的輸入使能輸入端。為了測量高電平單粒子瞬態(tài)脈沖寬度，本實施例中，設(shè)計了如圖2所示的控制信號產(chǎn)生電路，所述控制信號產(chǎn)生電路包括2個或非門基本RS鎖存器第一 RS鎖存器201和第二 RS鎖存器202、非門203和與門204。2個RS鎖存器的R輸入端均用于接收復(fù)位輸入信號，用于將脈沖開始信號輸出端和脈沖結(jié)束信號輸出端復(fù)位，使得在待測信號input輸入前，二者均能處于確定的電平狀態(tài)。如圖2中所示，兩個RS鎖存器201和202的R端作為復(fù)位信號輸入端，接收的reset信號即為復(fù)位輸入信號(高電平有效)。input信號作為第一 RS鎖存器201的S端輸入信號，同時也作為非門203的輸入信號。第一 RS鎖存器201的Q端輸出信號即為begin信號，非門203的輸出信號同begin信號分別作為與門204的 兩個輸入信號，與門204的輸出信號作為第二 RS鎖存器202的S端輸入信號，第二 RS鎖存器202的Q端輸出信號即為end信號。參考圖2和圖3，觀察上述控制信號產(chǎn)生電路101的工作波形。圖3中從上到下依次為脈沖結(jié)束信號end和脈沖開始信號begin,粒子脈沖信號input,復(fù)位信號reset的電壓波形。當(dāng)reset信號為高電平時，RS鎖存器201和202復(fù)位，begin信號置為低電平，end信號置為高電平。reset信號恢復(fù)為低電平時測量開始，此時當(dāng)input信號變?yōu)楦唠娖綍r，驅(qū)動RS鎖存器201發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得begin信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時非門203的輸出為低電平，與門204的輸出為低電平,end信號保持高電平不變。而后當(dāng)input信號恢復(fù)為低電平時，非門203輸出變?yōu)楦唠娖?，使得與門204輸出變?yōu)楦唠娖剑琫nd信號由高電平變?yōu)榈碗娖?。即input信號電平初始發(fā)生改變后(圖3中為從低到高)，begin信號由低電平變?yōu)楦唠娖剑趇nput信號恢復(fù)到初始電平后，end信號由初始高電平變?yōu)榈碗娖?。在本實施例中，各級延時翻轉(zhuǎn)電路均采用相同的電路結(jié)構(gòu)和尺寸。如圖4所示，每級延時翻轉(zhuǎn)電路102由帶邏輯功能的雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，該帶邏輯功能的雙穩(wěn)態(tài)電路為帶與門401的第三RS鎖存器。每個雙穩(wěn)態(tài)電路有兩個信號輸入端，即翻轉(zhuǎn)輸入端SI和使能輸入端S2,以及翻轉(zhuǎn)輸出端Q。翻轉(zhuǎn)輸入端SI和使能輸入端S2的信號經(jīng)過與門401后輸出到RS鎖存器的S端。為了保證RS鎖存器在測量前能夠維持一個確定的穩(wěn)定狀態(tài)，將R作為控制端接收統(tǒng)一的復(fù)位控制信號(即前述的reset信號，未示出)，用于將各級翻轉(zhuǎn)延時電路復(fù)位。Q端作為翻轉(zhuǎn)輸出端輸出out信號,例如outl/out2/. . . /outn信號,輸入到下一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端SI。前述的end信號作為使能輸入信號輸入到各級延時翻轉(zhuǎn)電路的使能輸入端S2。其中當(dāng)使能輸入端S2的使能信號輸入有效時,翻轉(zhuǎn)輸入端SI的翻轉(zhuǎn)輸入經(jīng)過一定延時后在翻轉(zhuǎn)輸出端Q端引起翻轉(zhuǎn)輸出。在本實施例中，RS鎖存器由CMOS電路構(gòu)成，并且通過控制NMOS管和PMOS管的寬長來控制RS鎖存器的延時?？晒┻x用的數(shù)值為PM0S管寬長為I. 66微米/0. 13微米，NMOS管寬長為O. 64微米/0. 13微米。在其他實施例中，可以根據(jù)測量的需要調(diào)整延時翻轉(zhuǎn)電路的級數(shù)以及各級延時翻轉(zhuǎn)電路的結(jié)構(gòu)或尺寸。圖5所示為本實施例中，單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路測量一個單粒子瞬態(tài)脈沖的整體工作波形示 意，從上至下依次為各級延時翻轉(zhuǎn)電路翻轉(zhuǎn)輸出端信號out5，out4,out3, out2, outl,以及脈沖結(jié)束信號end和脈沖開始信號begin,粒子脈沖信號input,復(fù)位信號reset的電壓波形(此處各信號并不表示電平的變化，而是指整個測量過程中相應(yīng)端子的電平)。其中input為待測單粒子脈沖信號，高電平寬度為200ps，reset為復(fù)位信號，outl, out2, out3, out4, out5分別為第一至第五級延時翻轉(zhuǎn)電路的輸出信號。在工作過程中，控制信號產(chǎn)生電路和各級延時翻轉(zhuǎn)電路首先在統(tǒng)一的reset控制信號下復(fù)位，各級延時翻轉(zhuǎn)電路的輸出信號outl至out5初始值均為O,begin信號為O, end信號為I。之后當(dāng)input信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)由O變?yōu)镮,使得begin信號也由O變?yōu)镮,此時begin信號同end信號經(jīng)過與門的輸出也為1，從而驅(qū)動第一級延時翻轉(zhuǎn)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得outl變?yōu)?，此時input信號還沒有恢復(fù)為O電平，那么end信號依舊為1，第2級延時翻轉(zhuǎn)電路翻轉(zhuǎn)，使得out2變?yōu)?，在out2翻轉(zhuǎn)后，由于input信號恢復(fù)到低電平，end信號變?yōu)?，經(jīng)過第3級與門的輸出結(jié)果為0，無法驅(qū)動第3級延時翻轉(zhuǎn)電路延時翻轉(zhuǎn)電路翻轉(zhuǎn)，因此第3級，第4級，第5級延時翻轉(zhuǎn)電路輸出保持不變，均輸出O。從上述測量過程可以看出，輸入脈沖寬度越寬，所能驅(qū)動翻轉(zhuǎn)的鎖存器數(shù)目越多。在設(shè)計電路時，可以通過重復(fù)改變輸入脈沖寬度，得到脈沖寬度與延時翻轉(zhuǎn)電路翻轉(zhuǎn)個數(shù)對應(yīng)表格，如下表所不，其中O表不輸出低電平，即輸出不翻轉(zhuǎn)，I表不輸出高電平，即輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。據(jù)此即可根據(jù)實際鎖存器輸出翻轉(zhuǎn)情況，反推出所測脈沖寬度的范圍。在實際電路設(shè)計過程中，可以根據(jù)測量范圍和測量精度要求，通過嘗試不同的電路尺寸和電路結(jié)構(gòu)，使得各級鎖存器的輸出翻轉(zhuǎn)情況同脈沖寬度之間的對應(yīng)關(guān)系更加符合設(shè)計要求。
權(quán)利要求
1.一種單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，包括 控制信號產(chǎn)生電路(101)，具有單粒子脈沖接收端、脈沖開始信號輸出端和脈沖結(jié)束信號輸出端，當(dāng)在單粒子脈沖接收端接收到單粒子脈沖信號時，脈沖開始信號輸出端輸出的脈沖開始信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)該單粒子脈沖信號結(jié)束時，脈沖結(jié)束信號輸出端輸出的脈沖結(jié)束信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)； 至少一級延時翻轉(zhuǎn)電路(102)，每級延時翻轉(zhuǎn)電路具有翻轉(zhuǎn)輸入端、使能輸入端和翻轉(zhuǎn)輸出端，其中當(dāng)使能輸入端的使能信號輸入有效時翻轉(zhuǎn)輸入端的信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)后經(jīng)過一定延時將使翻轉(zhuǎn)輸出端輸出信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)使能輸入端的使能信號輸入無效時，翻轉(zhuǎn)輸出端輸出信號將不隨翻轉(zhuǎn)輸入端信號變化，即，翻轉(zhuǎn)輸出端信號保持不變。
其中，所述脈沖開始信號輸出端連接到第一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端，其后每一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端連接上一級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸出端，脈沖結(jié)束信號輸出端連接到所有延時翻轉(zhuǎn)電路的使能輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，其中每級延時翻轉(zhuǎn)電路(102)都由帶邏輯功能的雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述帶邏輯功能的雙穩(wěn)態(tài)電路為帶與門的RS鎖存器，與門的兩輸入端分別為該級延時翻轉(zhuǎn)電路的翻轉(zhuǎn)輸入端和使能輸入端，與門的輸出連接到RS鎖存器的S輸入端，RS鎖存器的R輸入端接收復(fù)位信號，RS鎖存器的輸出端即為翻轉(zhuǎn)輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中RS鎖存器由CMOS電路構(gòu)成，并且通過控制NMOS管和PMOS管的寬長來控制RS鎖存器的延時。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，其中在所述控制信號產(chǎn)生電路(101)中，脈沖開始信號的翻轉(zhuǎn)為從低電平到高電平的翻轉(zhuǎn)，脈沖結(jié)束信號的翻轉(zhuǎn)為從高電平到低電平的翻轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中所述控制信號產(chǎn)生電路(101)還包括復(fù)位信號輸入端，用于接收復(fù)位輸入信號，將脈沖開始信號輸出端復(fù)位到低電平，將脈沖結(jié)束信號輸出端復(fù)位到高電平。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，該電路包括控制信號產(chǎn)生電路及至少一級延時翻轉(zhuǎn)電路；所述控制信號產(chǎn)生電路具有單粒子脈沖接收端、脈沖開始信號輸出端和脈沖結(jié)束信號輸出端，當(dāng)單粒子脈沖接收端接收到單粒子脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的單粒子脈沖信號，脈沖開始信號輸出端輸出的脈沖開始信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)；每級所述延時翻轉(zhuǎn)電路具有翻轉(zhuǎn)輸入端、使能輸入端和翻轉(zhuǎn)輸出端，其中當(dāng)使能輸入端信號有效時，翻轉(zhuǎn)輸入端的信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)后經(jīng)過一定延時將使翻轉(zhuǎn)輸出端輸出信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)使能輸入端的使能信號輸入無效時，翻轉(zhuǎn)輸出端信號保持不變。采用本發(fā)明實現(xiàn)的測量電路，能夠?qū)瘟Ｗ铀矐B(tài)脈沖信號的脈沖寬度進行測量。
文檔編號G01R29/02GK102621401SQ20121008093
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者宿曉慧, 畢津順, 羅家俊 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所