一種抗單粒子效應電荷泵鎖相環設計
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摘要：針對電荷泵鎖相環(CPPLL)中抗單粒子瞬變效應(SET)最薄弱的模塊電荷泵輸出級，提出了一種雙路徑電荷補償的設計加固(RHBD)技術，并基于SMIC 0.18um CMOS 工藝實現了加固設計的電荷泵鎖相環電路。仿真結果表明，本文提出的加固技術有效地提高了電荷泵鎖相環的可靠性。
關鍵詞：鎖相環 SET RHBD 電荷泵
一、引言
鎖相環(phase locked loop，PLL)是把輸出相位與輸入相位相比較的反饋系統，被廣泛應用于電子系統中，其可靠性直接影響整個電子系統的穩定性。在輻照環境中，單粒子瞬變效應(Single Event Transient， SET)是PLL可靠性面臨的最主要威脅之一。PLL在單粒子瞬變效應作用下會產生相位或頻率漂移，嚴重時甚至導致PLL失鎖，極大的影響著系統的可靠性。因此，有必要對鎖相環進行輻照加固設計。
二、抗SET鎖相環設計
2.1 電荷泵模塊的加固設計
研究表明，電荷泵是鎖相環中對SET效應最敏感的模塊[1-2]。因此，本文主要對電荷泵模塊進行加固，如圖1所示。該加固電荷泵由基本電荷泵、檢測與補償電路、復制電荷泵三部分組成。其中基本電荷泵電路是傳統電荷泵，實現對低通濾波器的充電或者放電。復制電荷泵是對基本電荷泵的復制，只起參考電位的作用。檢測與補償電路比較基本電荷泵與參考電荷泵的結點電位并產生相應地補償電流。在沒有SET效應發生時，檢測與補償電路不工作，不影響鎖相環的狀態。然而，一旦電荷泵輸出級結點被高能粒子入射，檢測電路會立即檢測并直接在入射點產生補償電流。與此同時，補償電路被打開產生補償電流對LPF進行快速電荷補償。由此可見，本文提出的加固電荷泵能夠通過兩條路徑對LPF進行電荷補償。
2.2 仿真驗證與分析
基于SMIC 0.18um CMOS 工藝，實現了本文所提出的抗單粒子瞬態效應電荷泵鎖相環。仿真結果如圖2所示。從圖中可以看出，當高能粒子轟擊電荷泵輸出結點時，未加固PLL壓控振蕩器控制電壓變化了24.2mV，PLL重新鎖定的恢復時間為0.801uS。加固PLL的電壓變化量為7.1mV，恢復時間為0.391uS。加固后，電壓變化量降低了70.67%，恢復時間降低了51.2%。
三、結語
本文設計了一種抗單粒子效應電荷泵鎖相環，基于SMIC 0.18um CMOS工藝實現了電路，并利用Cadence 對電路進行了仿真驗證。仿真結果表明，本文提出的加固技術可以有效提高電荷泵鎖相環的可靠性。
參考文獻：
[1]T. D. Loveless， et al. A Hardened-by-Design Technique for RF Digital Phase Lock Loops [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 2006， 53(6)：3432-3438.
[2]趙振宇.鎖相環中單粒子瞬變效應的分析與加固[D].國防科技大學，2009.
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