2018一种抗单粒子效应电荷泵锁相环设计
摘要：针对电荷泵锁相环(CPPLL)中抗单粒子瞬变效应(SET)最薄弱的模块电荷泵输出级，提出了一种双路径电荷补偿的设计加固(RHBD)技术，并基于SMIC 0.18um CMOS 工艺实现了加固设计的电荷泵锁相环电路。仿真结果表明，本文提出的加固技术有效地提高了电荷泵锁相环的可靠性。关键词：锁相环 SET RHBD 电荷泵
一、引言
锁相环(phase locked loop，PLL)是把输出相位与输入相位相比较的反馈系统，被广泛应用于电子系统中，其可靠性直接影响整个电子系统的稳定性。在辐照环境中，单粒子瞬变效应(Single Event Transient， SET)是PLL可靠性面临的最主要威胁之一。PLL在单粒子瞬变效应作用下会产生相位或频率漂移，严重时甚至导致PLL失锁，极大的影响着系统的可靠性。因此，有必要对锁相环进行辐照加固设计。
二、抗SET锁相环设计
2.1 电荷泵模块的加固设计
研究表明，电荷泵是锁相环中对SET效应最敏感的模块。因此，本文主要对电荷泵模块进行加固，如图1所示。该加固电荷泵由基本电荷泵、检测与补偿电路、复制电荷泵三部分组成。其中基本电荷泵电路是传统电荷泵，实现对低通滤波器的充电或者放电。复制电荷泵是对基本电荷泵的复制，只起参考电位的作用。检测与补偿电路比较基本电荷泵与参考电荷泵的结点电位并产生相应地补偿电流。在没有SET效应发生时，检测与补偿电路不工作，不影响锁相环的状态。然而，一旦电荷泵输出级结点被高能粒子入射，检测电路会立即检测并直接在入射点产生补偿电流。与此同时，补偿电路被打开产生补偿电流对LPF进行快速电荷补偿。由此可见，本文提出的加固电荷泵能够通过两条路径对LPF进行电荷补偿。
2.2 仿真验证与分析
基于SMIC 0.18um CMOS 工艺，实现了本文所提出的抗单粒子瞬态效应电荷泵锁相环。仿真结果如图2所示。从图中可以看出，当高能粒子轰击电荷泵输出结点时，未加固PLL压控振荡器控制电压变化了24.2mV，PLL重新锁定的恢复时间为0.801uS。加固PLL的电压变化量为7.1mV，恢复时间为0.391uS。加固后，电压变化量降低了70.67%，恢复时间降低了51.2%。
三、结语
本文设计了一种抗单粒子效应电荷泵锁相环，基于SMIC 0.18um CMOS工艺实现了电路，并利用Cadence 对电路进行了仿真验证。仿真结果表明，本文提出的加固技术可以有效提高电荷泵锁相环的可靠性。
参考文献：
T. D. Loveless， et al. A Hardened-by-Design Technique for RF Digital Phase Lock Loops . IEEE Transactions on Nuclear Science， 2006， 53(6)：3432-3438.
赵振宇.锁相环中单粒子瞬变效应的分析与加固.国防科技大学，2009.
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