辐照加固锁相环的研究与设计

发布时间：2017-10-02 16:02

  本文关键词：辐照加固锁相环的研究与设计

  更多相关文章： 单粒子瞬变效应 锁相环 敏感性分析 电荷泵 设计加固

【摘要】：锁相环(Phase-Loop Lock,PLL)被广泛地应用于时钟生成器等电路中,是航天器电子系统的核心部件。工作于辐照环境中的PLL容易遭到高能粒子的轰击而诱发单粒子瞬变效应(Single Event Transient,SET),造成输出信号相位和频率漂移,导致电子系统产生错误,严重威胁着航天器的可靠性。为了提高PLL在辐照环境中的可靠性,本文对辐照加固锁相环进行了研究与设计。主要包括以下内容:首先,本文采用低压共源共栅技术,改进了一种差分型电荷泵电路,降低了充放电电流的失配。采用对称负载差分延迟单元,设计了一种低相位噪声、宽频率范围的压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)。在分析PLL工作原理的基础上,设计了一款电荷泵锁相环,并采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对所设计的电路进行仿真。仿真结果表明,所设计的电荷泵在0.4V~1.3V电压范围内的电流失配率仅为0.6%,VCO的输出频率范围为90MHz~2.275GHz。当输入时钟频率为62.5MHz时,PLL的锁定时间为1.336μs,输出频率为1GHz,控制电压的波纹仅为0.4mV,输出波形的占空比为48.5%。其次,本文采用双指数电流脉冲模拟高能粒子对PLL进行轰击,分析了不同轰击节点、不同轰击能量和不同工作频率时PLL的SET敏感特性。通过比较分析,电荷泵的输出级、压控振荡器偏置电路和环振对SET很敏感,而电荷泵偏置电路和鉴频鉴相器等数字电路部分的SET敏感性较小。最后,本文基于电流补偿加固原理,改进了一种辐照加固电荷泵。采用三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)技术,设计了一种辐照加固型压控振荡器。对于物理版图,结合具体的电路,本文采用环形栅和保护环对PLL的版图进行了加固处理。采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对所设计的电路进行仿真,仿真结果显示,与基本PLL相比,本文所设计的加固型PLL对SET的抑制能力提高了93.8%,PLL回到锁定所需的恢复时间下降了71.5%,最大相位漂移减小了91.9%,有效地提高了PLL的抗辐照能力。
【关键词】：单粒子瞬变效应 锁相环 敏感性分析 电荷泵 设计加固
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V443
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 论文主要工作及组织结构12-13
• 第2章 辐照加固的基本理论13-25
• 2.1 辐照效应13
• 2.2 单粒子效应13-18
• 2.2.1 单粒子效应的机理13-15
• 2.2.2 单粒子效应的分类15-16
• 2.2.3 单粒子效应的模拟方法16-17
• 2.2.4 单粒子瞬变电流脉冲模型17-18
• 2.3 单粒子效应对电路的影响18-21
• 2.4 单粒子效应加固技术21-24
• 2.4.1 工艺加固22
• 2.4.2 设计加固22-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 基本锁相环设计25-50
• 3.1 锁相环的结构及基本原理25-33
• 3.1.1 鉴频鉴相器26-27
• 3.1.2 电荷泵27-28
• 3.1.3 低通滤波器28-29
• 3.1.4 压控振荡器29-30
• 3.1.5 分频器30
• 3.1.6 电荷泵锁相环的线性模型30-31
• 3.1.7 环路稳定性分析31-33
• 3.2 锁相环各子电路设计33-49
• 3.2.1 鉴频鉴相器设计33-36
• 3.2.2 电荷泵设计36-40
• 3.2.3 压控振荡器设计40-45
• 3.2.4 分频器设计45-46
• 3.2.5 整体电路的设计与仿真46-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第4章 锁相环中SET敏感性分析50-63
• 4.1 锁相环中SET敏感性的评估参数与双指数电流模型50-52
• 4.1.1 SET敏感性评估参数50-51
• 4.1.2 双指数电流模型51-52
• 4.2 电荷泵中SET敏感性分析52-57
• 4.2.1 SET敏感性量化方法52-54
• 4.2.2 CP中不同轰击节点的SET响应54-55
• 4.2.3 CP中不同轰击能量的SET响应55-56
• 4.2.4 CP中不同工作频率的SET响应56-57
• 4.3 压控振荡器中SET敏感性分析57-62
• 4.3.1 VCO中不同轰击节点的SET响应57-60
• 4.3.2 VCO中不同轰击能量的SET响应60-61
• 4.3.3 VCO中不同工作频率的SET响应61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 辐照加固锁相环设计63-78
• 5.1 电荷泵模块的加固设计63-67
• 5.2 压控振荡器的加固设计67-70
• 5.3 鉴频鉴相器和分频器加固设计70
• 5.4 PLL的版图加固设计70-74
• 5.4.1 版图加固技术70-72
• 5.4.2 PLL子模块及整体电路的版图设计72-74
• 5.5 整体电路的仿真结果74-77
• 5.6 本章小结77-78
• 第6章 总结与展望78-80
• 6.1 全文工作总结78-79
• 6.2 工作展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 赵馨远;张晓晨;王亮;岳素格;;晶体管栅形状对单粒子瞬态脉冲特性的影响研究[J];微电子学与计算机;2014年10期

2 吕灵娟;刘汝萍;林敏;桑泽华;邹世昌;杨根庆;;Performance comparison of radiation-hardened layout techniques[J];Journal of Semiconductors;2014年06期

3 刘健波;刘远;恩云飞;雷志锋;王晓晗;杨元政;;集成电路单粒子瞬态效应与测试方法[J];微电子学;2014年01期

4 张筱颖;张玲;周理想;于宗光;;一种基于SOI的抗单粒子效应锁相环设计[J];微电子学;2014年01期

5 田海燕;胡永强;;体硅集成电路版图抗辐射加固设计技术研究[J];电子与封装;2013年09期

6 赵源;徐立新;赵琦;金星;;抗辐射模拟CMOS集成电路研究与设计[J];中国空间科学技术;2013年03期

7 赵振宇;赵学谦;张民选;郭斌;秦军瑞;;高可靠锁相环设计技术研究[J];计算机工程与科学;2009年S1期

8 段吉海;古鸽;秦志杰;;一种高性能CMOS电荷泵的设计[J];中国集成电路;2009年06期

9 贺朝会;李永宏;杨海亮;;单粒子效应辐射模拟实验研究进展[J];核技术;2007年04期

10 彭和平;时晨;赵元富;于立新;陈雷;;面向空间应用的双核容错微处理器的研究与实现[J];宇航学报;2007年01期

，

本文编号：960499