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、軍事等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，越來越多的集成電路需要在輻射環(huán)境下工作。輻射對集成電路的效應(yīng)主要分為兩大類單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)，總劑量效應(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)包括單粒子反轉(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)芯片放置在有輻射的環(huán)境中，周圍能量粒子會注入到芯片內(nèi)部，通過電離輻射能量粒子的運動軌跡上產(chǎn)生一定數(shù)目的電子、空穴對，它們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。對于單粒子效應(yīng)進行研究與加固，必須搭建有效的測試環(huán)境，對瞬態(tài)脈沖信號寬度等特征進行準(zhǔn)確測量。其中測試環(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PS到一千PS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，對設(shè)備的頻率要求非常高，國內(nèi)往往不能生產(chǎn)而國外又禁止輸出，測試成本高，實現(xiàn)難度非常大。如果采用片上電路進行測試，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性能影響，實際測試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，可測范圍小，測量精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種用于測量單粒子瞬態(tài)脈沖信號脈沖寬度，測試過程中不需要外加采樣時鐘，并可針對待測信號特點，通過更改電路尺寸和級數(shù)，確定合適的采樣精度和輸出位數(shù)的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，包括單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路(103)及至少一級測量電路；所述單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路(103)產(chǎn)生待測單粒子脈沖信號；其中，由待測單粒子脈沖信號直接驅(qū)動的雙穩(wěn)態(tài)電路(100)構(gòu)成測量電路的第一級；從測量電路的第二級開始，每一級電路分別包括延遲電路(101)、邏輯門電路(102)和雙穩(wěn)態(tài)電路(100)；其中在第二級電路中，延遲電路(101)的輸入信號是待測信號；邏輯門電路(102)的輸入信號是該延遲電路(101)的輸出信號和第一級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號；邏輯門電路(102)的輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸入信號；從第三級電路開始各級所述延遲電路(101)輸入信號的來源是上一級邏輯門電路(102)的輸出信號；所述邏輯門電路(102)的輸入信號是本級延遲電路(101)的輸出信號和上一級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號；本級邏輯門電路(102)的輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸入信號。進一步地，所述雙穩(wěn)態(tài)電路(100)具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，在對待測單粒子脈沖信號
進行測量前，輸出能夠處于一個確定的穩(wěn)定狀態(tài)，在對輸入待測單粒子脈沖信號進行測量時，只要輸入信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)并維持足夠長的時間，雙穩(wěn)態(tài)電路能夠從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，輸出信號電平發(fā)生改變。進一步地，當(dāng)所述延遲電路(101)輸入信號為脈沖信號，輸出也是脈沖信號，并且輸出脈沖信號變化的開始時刻提前于上級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號的變化時刻,輸出脈沖信號變化的結(jié)束時刻晚于上級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號的變化時刻。進一步地，所述邏輯門電路(102)在本級延遲電路(101)的輸出信號及上一級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號都發(fā)生變化時，輸出信號才發(fā)生改變。進一步地，各級選用的雙穩(wěn)態(tài)電路(100)、延遲電路(101)及邏輯門電路(102)的結(jié)構(gòu)相同或不同。進一步地，所述雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出端僅有一個輸出端引出或同時引出兩個互補輸出端；當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)電路只有一個輸出端引出時，該端同時測量電路結(jié)果輸出端(out端)和下一級邏輯門電路(102)的輸入端；當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)電路有兩個互補輸出端引出時，將兩個輸出端分別作為測量電路結(jié)果輸出端(out端)和下一級邏輯門電路(102)的輸入端。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的級數(shù)和電路結(jié)構(gòu)、尺寸等可以分別控制每級輸出結(jié)果，能夠調(diào)節(jié)測試位數(shù)和每級比較的測試精度，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是本發(fā)明實施例提供的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例提供的雙穩(wěn)態(tài)電路為RS鎖存器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例提供的延遲電路101為兩級反相器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例提供的延遲電路工作情況的示意圖。圖5為本發(fā)明實施例提供的邏輯門電路為與門的示意圖。圖6為本發(fā)明實施例提供的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路整體工作的波形示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明實施例提供的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，包括單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路(103)及至少一級測量電路(例如，可以由4級電路構(gòu)成，當(dāng)然根據(jù)測量的需要，不限于此)。其中，由待測信號單粒子脈沖(該待測單粒子脈沖信號由單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路103產(chǎn)生)直接驅(qū)動的雙穩(wěn)態(tài)電路100構(gòu)成測量電路的第一級。從測量電路的第二級開始，每一級電路分別包括延遲電路101、邏輯門電路102和雙穩(wěn)態(tài)電路100 ;其中，在第二級電路中延遲電路101的輸入信號是待測信號。邏輯門電路102的輸入信號是該延遲電路101的輸出信號和第一級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸出信號。邏輯門電路102的輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸入信號。從第三級電路開始各級延遲電路101輸入信號的來源是上一級邏輯門電路102
的輸出信號。邏輯門電路102的輸入信號是本級延遲電路101的輸出信號和上一級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸出信號。本級邏輯門電路102的輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸入信號。當(dāng)所述延遲電路101輸入信號為脈沖信號，輸出也是脈沖信號，并且輸出脈沖信號變化的開始時刻提前于上級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸出信號的變化時刻，輸出脈沖信號變化的結(jié)束時刻晚于上級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸出信號的變化時刻。雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸出端可以僅有一個輸出端引出或同時引出兩個互補輸出端；當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)電路只有一個輸出端引出時，該端同時作為測量電路結(jié)果輸出端(out端)和下一級邏輯門電路102的輸入端；當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)電路有兩個互補輸出端引出時，可以將兩個輸出端分別作為測量電路結(jié)果輸出端out端和下一級邏輯門電路102的輸入端。各級選用的雙穩(wěn)態(tài)電路100、延遲電路101及邏輯門電路102的結(jié)構(gòu)，可以相同也可以不同。其中，各級雙穩(wěn)態(tài)電路100可選為基本RS鎖存器。圖2為RS鎖存器示意圖，為了保證RS鎖存器在單粒子脈沖信號變化前能夠維持一個穩(wěn)定的狀態(tài)，將各級鎖存器的R輸入端連接到一個統(tǒng)一的reset信號上。將RS鎖存器的S信號輸入端，作為輸入信號端，outl,out2,...等分別連接對應(yīng)鎖存器的Q輸出端，該端同時提供給邏輯門電路作輸入端。參見圖3，延遲電路101為兩級反相器級聯(lián)構(gòu)成，其中PMOS管寬長比為I. 5/0. 18，NMOS管寬長比為O. 5/0. 18。各級延遲電路101應(yīng)根據(jù)輸入脈沖的電平持續(xù)時間，選擇合適的電路尺寸，使得本級延遲電路101的輸出信號變化早于上一級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸出信號變化。在實際電路設(shè)計過程中，可以根據(jù)輸入待測脈沖的電平持續(xù)時間，采用仿真方法，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。參見圖4，input為本級延遲電路的輸入信號，al為本級延遲電路的輸出信號，outl為上級鎖存器輸出信號，延遲電路的輸出信號al的變化的開始時刻，即al的上升沿提前于上級鎖存器的輸出outl的變化；al變化的結(jié)束時刻，即al的下降沿晚于outl的變化，符合設(shè)計要求。此時通過本級邏輯門電路的操作，邏輯門電路的輸出信號寬度即為al同outl均為高電平時的寬度，該寬度短于輸入信號的寬度，從而使得輸入給各級RS鎖存器的輸入信號逐級變短，對于給定的輸入脈沖寬度，測試電路級數(shù)足夠多時，最后幾級鎖存器的輸入脈沖寬度將短到不足以驅(qū)動該鎖存器進行翻轉(zhuǎn)。輸入的脈沖寬度越寬，所能驅(qū)動翻轉(zhuǎn)的鎖存器級數(shù)越多，輸入脈沖寬度的測量結(jié)果即可通過翻轉(zhuǎn)的鎖存器數(shù)目來進行比較。參見圖5，邏輯門電路102是與門。與門采用與非門同非門級聯(lián)的形式構(gòu)成，其中PMOS管寬長比為I. 5/0. 18，NMOS管寬長比為O. 5/0. 18。輸入信號分別為inputl和input2，輸出信號為out。各級邏輯門電路102只有在本級延遲電路101的輸出信號及上一級雙穩(wěn)態(tài)電路100的輸出信號都發(fā)生變化時，輸出信號才發(fā)生改變。參見圖6，本發(fā)明單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路整體工作情況的波形示意，其中input為輸出待測單粒子脈沖信號，高電平寬度為150ps，reset為復(fù)位信號，outl, out2,OUt3，OUt4分別為第一至第四級電路的輸出信號，在工作過程中，各級RS鎖存器，首先在統(tǒng)一的reset控制信號下復(fù)位，Q端的初始輸出均為0，之后如果輸入信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并維持足夠長時間(時間是要保證使得鎖存器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時間)，則能夠使得鎖存器的輸出信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)并保持下去，直到再一次輸入置位/復(fù)位信號使得輸出恢復(fù)到初始狀態(tài)。當(dāng)脈沖寬度為150ps時，可以驅(qū)動兩級鎖存器翻轉(zhuǎn)。重復(fù)改變輸入脈沖寬度，即可作出脈沖寬度同翻轉(zhuǎn)個數(shù)對應(yīng)表格，如表I所示，據(jù)此即可根據(jù)實際鎖存器翻轉(zhuǎn)情況，反推出所測脈沖寬度。表I
權(quán)利要求
1.一種單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，其特征在于 包括單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路(103)及至少一級測量電路； 所述單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路(103)產(chǎn)生待測單粒子脈沖信號； 其中，由待測單粒子脈沖信號直接驅(qū)動的雙穩(wěn)態(tài)電路(100)構(gòu)成測量電路的第一級；從測量電路的第二級開始，每一級電路分別包括延遲電路(101)、邏輯門電路(102)和雙穩(wěn)態(tài)電路(100)； 其中在第二級電路中，延遲電路(101)的輸入信號是待測信號；邏輯門電路(102)的輸入信號是該延遲電路(101)的輸出信號和第一級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號；邏輯門電路(102)的輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸入信號； 從第三級電路開始各級所述延遲電路(101)輸入信號的來源是上一級邏輯門電路(102)的輸出信號；所述邏輯門電路(102)的輸入信號是本級延遲電路(101)的輸出信號和上一級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號；本級邏輯門電路(102)的輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸入信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，其特征在于 所述雙穩(wěn)態(tài)電路(100)具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，在對待測單粒子脈沖信號進行測量前，輸出能夠處于一個確定的穩(wěn)定狀態(tài)，在對輸入待測單粒子脈沖信號進行測量時，只要輸入信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)并維持足夠長的時間，雙穩(wěn)態(tài)電路能夠從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，輸出信號電平發(fā)生改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，其特征在于 當(dāng)所述延遲電路(101)輸入信號為脈沖信號，輸出也是脈沖信號，并且輸出脈沖信號變化的開始時刻提前于上級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號的變化時刻，輸出脈沖信號變化的結(jié)束時刻晚于上級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號的變化時刻。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，其特征在于 所述邏輯門電路(102)在本級延遲電路(101)的輸出信號及上一級雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出信號都發(fā)生變化時，輸出信號才發(fā)生改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，其特征在于 各級選用的雙穩(wěn)態(tài)電路(100)、延遲電路(101)及邏輯門電路(102)的結(jié)構(gòu)相同或不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，其特征在于 所述雙穩(wěn)態(tài)電路(100)的輸出端僅有一個輸出端引出或同時引出兩個互補輸出端； 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)電路只有一個輸出端引出時，該端同時測量電路結(jié)果輸出端(out端)和下一級邏輯門電路(102)的輸入端； 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)電路有兩個互補輸出端引出時，將兩個輸出端分別作為測量電路結(jié)果輸出端(out端)和下一級邏輯門電路(102)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開單粒子瞬態(tài)脈沖寬度測量電路，包括單粒子脈沖信號產(chǎn)生電路(103)及至少一級測量電路；由雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成測量電路的第一級；從測量電路的第二級開始，每一級電路包括延遲電路、邏輯門電路和雙穩(wěn)態(tài)電路；其中第二級電路中，延遲電路的輸入信號是待測信號；邏輯門電路的輸入信號是該延遲電路的輸出信號和第一級雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出信號；邏輯門電路輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路的輸入信號；從第三級電路開始各級延遲電路輸入信號是上一級邏輯門電路的輸出信號；邏輯門電路的輸入信號是本級延遲電路的輸出信號和上一級雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出信號；本級邏輯門電路的輸出信號是本級雙穩(wěn)態(tài)電路的輸入信號。本發(fā)明可測的脈沖寬度范圍大，測量精度高。
文檔編號G01R29/02GK102818939SQ20111015223
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者宿曉慧, 畢津順 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所