輻照環(huán)境下時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著音頻、視頻、多用戶終端等高度綜合化業(yè)務(wù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，傳統(tǒng)的RS422、1553B等總線所提供的數(shù)據(jù)帶寬已難以滿足傳輸高數(shù)據(jù)帶寬的需求。因此，更高傳輸速率的串行總線技術(shù)，如FC-AE、SpaceWire等應(yīng)運(yùn)而生，這些高速總線中，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（Clock and Data Recovery, CDR）是其中的關(guān)鍵模塊，這是由兩個(gè)因素決定的：一方面CDR電路提供整個(gè)系統(tǒng)電路的基準(zhǔn)時(shí)鐘；另一方面CDR電路根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)的相位

2、調(diào)整數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘的相位，恢復(fù)時(shí)鐘，并對高速串行輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重定位。隨著集成電路工藝進(jìn)入深亞微米階段，空間環(huán)境中使用的時(shí)鐘恢復(fù)電路穩(wěn)定性面臨極大挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到上Gbps時(shí)，輻照產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖持續(xù)時(shí)間的寬度與數(shù)據(jù)位寬可以比擬，區(qū)分和處理瞬態(tài)脈沖本身存在極大困難，單粒子瞬態(tài)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)的高速時(shí)鐘抖動(dòng)加劇、從而增加數(shù)據(jù)誤碼；頻率源是電子系統(tǒng)中抗輻照加固的薄弱環(huán)節(jié)，受單粒子瞬態(tài)脈沖效應(yīng)影響會(huì)產(chǎn)生相位偏移、時(shí)鐘抖動(dòng)，甚至失鎖等問題。傳統(tǒng)的

3、頻率發(fā)生器和CDR環(huán)路結(jié)構(gòu)難以有效的免疫空間環(huán)境中的單粒子效應(yīng)影響。因此，研究適合空間環(huán)境應(yīng)用的高速串行通信芯片的頻率源和CDR電路對空間數(shù)據(jù)高速傳輸具有重要的意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對高速接口中時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路信號穩(wěn)定性展開研究，主要內(nèi)容包括：深亞微米工藝條件下，面向輻照環(huán)境應(yīng)用中的CDR架構(gòu)穩(wěn)定性分析與研究；在輻照環(huán)境下，高速鎖相環(huán)電路中的單粒子瞬態(tài)脈沖效應(yīng)分析與加固研究。針對第一個(gè)問題，本文分析了傳統(tǒng)單環(huán)時(shí)鐘恢復(fù)

4、電路結(jié)構(gòu)本身和受到單粒子瞬態(tài)脈沖影響，而導(dǎo)致恢復(fù)時(shí)鐘抖動(dòng)過大的原因，提出了一種新型的雙環(huán)插值結(jié)構(gòu)電路，降低了恢復(fù)時(shí)鐘的抖動(dòng)。提出了一種數(shù)字控制濾波思想來降低電荷泵和偏置電路中單粒子瞬態(tài)效應(yīng)對振蕩器的影響，從而降低時(shí)鐘的抖動(dòng)，上述兩個(gè)措施最終提高了時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的穩(wěn)定度。⑵基于半速率數(shù)字鑒相器結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)，參與鑒相的四個(gè)正交相位時(shí)鐘，其上升、下降沿不可能完全對稱，導(dǎo)致對連續(xù)數(shù)據(jù)采樣的起始時(shí)刻也有差異，存在鑒相“死區(qū)”。因此恢復(fù)

5、的時(shí)鐘最終是動(dòng)態(tài)“穩(wěn)定”在某幾位插值相位之間，當(dāng)恢復(fù)時(shí)鐘控制位穩(wěn)定在低權(quán)位與高權(quán)位邊沿時(shí)，這種情況會(huì)導(dǎo)致大的時(shí)鐘相位抖動(dòng)。基于上述分析，本文提出了一種新型的時(shí)鐘控制環(huán)和數(shù)據(jù)延遲環(huán)，通過時(shí)鐘和數(shù)據(jù)兩個(gè)環(huán)路的調(diào)節(jié)，將最終恢復(fù)時(shí)鐘動(dòng)態(tài)穩(wěn)定在低權(quán)位之間，降低了恢復(fù)時(shí)鐘的抖動(dòng)。另外對于單粒子脈沖效應(yīng)的影響，本文提出了改進(jìn)型鑒相器、數(shù)字濾波整形、格雷碼計(jì)數(shù)，以及校正電路等綜合手段降低軟錯(cuò)誤發(fā)生概率，提高恢復(fù)時(shí)鐘的平穩(wěn)性。⑶分析了鎖相環(huán)中各個(gè)模塊單粒

6、子瞬態(tài)效應(yīng)的影響，提出了一種電荷泵注入脈沖的系統(tǒng)分析方法。最后針對前人分析的研究結(jié)果：電荷泵中輸出級晶體管受單粒子瞬態(tài)效應(yīng)的影響最為嚴(yán)重，提出了一種新型的數(shù)控抑制（Numerical Control Restrain，NCR）方法，通過利用鑒頻鑒相器相位超前和滯后指示信號，控制電荷泵電流脈沖與環(huán)路低通濾波器通路的開閉，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，盡管電荷泵受單粒子瞬態(tài)效應(yīng)影響，產(chǎn)生了瞬時(shí)電流脈沖，但此時(shí)控制電荷泵充放電的信號并不打開NCR中電流通路，

7、因此瞬態(tài)脈沖不能通過環(huán)路濾波器作用到振蕩器上，也即是抑制掉了輻射電流脈沖，從而達(dá)到穩(wěn)定時(shí)鐘的目的。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)，采用0.75pC電荷入射輸出敏感點(diǎn)，對比發(fā)現(xiàn)能夠抑制掉60％電流脈沖，頻率變化減少一個(gè)數(shù)量級；同時(shí)將NCR電路用于振蕩器偏置電路輸出級，新結(jié)構(gòu)也能夠避免振蕩器失鎖。⑷進(jìn)行了加固與非加固兩種結(jié)構(gòu)CDR電路測試驗(yàn)證，電路均采用130nm CMOS工藝。對兩種電路進(jìn)行脈沖激光注入試驗(yàn)表明：相同工藝條件下，對于無加固措施的CDR電路