高性能抗辐射压控振荡器设计与实现.pdf

国防科学技术大学
硕士学位论文
高性能抗辐射压控振荡器设计与实现
姓名:欧阳玺
申请学位级别:硕士
专业:软件工程
指导教师:刘衡竹
2011-04
国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文
摘要
作为航天高性能芯片的核心部件,锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)主要实现
时钟生成、时钟同步、时钟数据恢复等功能,其常规性能对整个芯片的正常工作
具有重要的影响。而作为锁相环的关键部件,压控振荡器(Voltage-Controlled
Oscillator, VCO)产生锁相环的输出时钟信号,其特性直接决定锁相环性能的好坏。
大量研究资料表明,VCO 的设计是 PLL 设计的关键之一。
工作在辐射环境中的压控振荡器易于受到单粒子效应(Single-Event Transient,
SET)的影响,导致其输出信号产生相位偏移、频率抖动,甚至发生振荡终止的现
象,从而使得锁相环无法正常工作。并且不同结构的 VCO 对 SET 的敏感程度各不
相同,针对不同结构的 VCO,设计一种具有通用性的辐射加固方案成为抗辐射
VCO 乃至抗辐射 PLL 设计的关键。在 工艺条件下,本文对具有从 GND 至
VDD 的宽电压调节范围、5GHz 至 的高频率输出和 的满摆幅输出信
号的高性能压控振荡器(High Performance Voltage-Controlled Oscillator, HPVCO)的
设计及其辐射加固设计进行了深入研究,取得了主要工作和研究成果如下:
(1)为了改善传统差分 VCO 延迟单元电路结构具有的较小的电压调节范围和
输出摆幅随控制电压 Vc 变化而显著变化的劣势,本文提出了一种可用于宽电压调
节范围-高频率-满摆幅输出的高性能 VCO(High Performance Voltage-Controlled
Oscillator, HPVCO)。基于 Maneatis 提出的对称负载差分 VCO 延迟单元结构,引入
了摆幅提升结构、双尾电流源结构和自激励管结构,设计了一种新型差分 VCO 延
迟单元电路结构,该延迟单元级联而成的 HPVCO 结构具有电压实现从 GND 至
VDD 的宽调节范围、5GHz 至 的高频率输出和 的满摆幅输出信号的
优势,为实现高频输出 VCO 提供了一种新型的延迟单元电路结构。
(2)为了实现 HPVCO 的电路级辐射加固设计,首先,深入分析了轰击结点和
功耗对 HPVCO 的 SET 响应特性,并阐述了 HPVCO 各敏感结点的 SET 失效机理
和恢复机制。然后,采用三模冗余技术(Triple Module Redundancy,TMR)设计了一
种 HPVCO 的 SET 加固结构,通过冗余机制有效降低了 HPVCO 对 SET 的敏感性。
与相关工作对比,该结构的辐射加固效果是最佳的。
(3).为了评估本文提出的基于三模冗余技术实现的 SET 加固 HPVCO 的加固效
果,集成了上述的研究结果,基于 μm CMOS 工艺设计实现了一款 TMR
HPVCO 的版图。通过版图级仿真验证,模拟结果表明 TMR HPVCO 的 SET 敏感
性显著降低至正常工作的噪声水平以下,从而证明了本文提出的 TMR 技术可以有
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效的降低 HPVCO 的 SET 敏感性。
最后,本文对 HPVCO 的设计及其辐射加固设计未来的研究方向进行了展望。


关键词:单粒子效应;锁相环;敏感性分析;压控振荡器;三模冗余技术

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国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文
ABSTRACT
As the ponent of high performance chip in aerospace, phase-locked
loop’s (PLL) main functions are clock generation, synchronization and data recovery,
its abnormal function has significant affect to the natural work of the whole chip system.
While as the key unit, voltage-controlled oscillator (VCO) generate the output clock
signal of PLLs, and its ide