CN117014009A - 一种sar adc单粒子翻转检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SAR ADC单粒子翻转检测系统，包括：电荷再分配型逐次逼近式模数转换器和检测电路，所述检测电路包括不少于一个检测单元，用来在所述逐次逼近式模数转换器完成对输入信号的采样量化后再进行一次电荷分配和电压比较，来检测所述逐次逼近式模数转换器的残差电压是否正常收敛，进而判断是否发生单粒子翻转；所述检测电路的第一端口与所述比较器的输入端口连接，所述检测电路的第二端口与所述逻辑控制电路的输出端口连接。本发明以简单的电路逻辑、较小的面积损失对系统是否发生单粒子翻转进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及模拟数字转换器领域，特别是涉及一种SAR ADC单粒子翻转检测系统及方法。
背景技术
当芯片工作在辐射环境下，如太空、核电站中，会受到单粒子效应和总剂量效应的影响。其中单粒子效应又包括单粒子闩锁和单粒子翻转，单粒子闩锁是指芯片在高能粒子的轰击下发生闩锁效应，闩锁会导致芯片发生永久性损坏；单粒子翻转则是指在粒子的轰击下，芯片内门电路突然积累电荷，产生错误的输出状态，一定时间后，电荷泄放完，电路还会回到稳定的工作状态。当芯片发生单粒子翻转，并且该错误的状态被后续的锁存器锁存，就有可能导致电路出现错误。因此，需要对芯片是否发生单粒子翻转进行检测。
ADC作为模拟信号和数字信号之间的桥梁有着广泛的应用场景，其中SAR ADC的应用也颇为广泛，很多辐射环境下需要用到ADC，但是辐射导致的单粒子翻转会严重影响ADC的性能，因此需要对ADC中单粒子翻转现象进行研究，而研究的第一步就要对单粒子翻转进行检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种SAR ADC单粒子翻转检测系统及方法，能够以简单的电路逻辑、较小的面积损失对系统是否发生单粒子翻转进行检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种SAR ADC单粒子翻转检测系统，包括：
逐次逼近式模数转换器，所述逐次逼近式模数转换器为电荷再分配型逐次逼近式模数转换器，包括用来进行电压比较的比较器、用来生成控制信号的逻辑控制电路、用来对输入信号进行采样保持和数模转换的开关电容阵列；
检测电路，包括不少于一个检测单元，用来在所述逐次逼近式模数转换器完成对输入信号的采样和量化后再进行一次电荷分配和电压比较，以检测所述逐次逼近式模数转换器是否发生单粒子翻转，进而判断是否发生单粒子翻转；所述检测电路的第一端口与所述比较器的输入端口连接，所述检测电路的第二端口与所述逻辑控制电路的输出端口连接。
进一步的，所述逐次逼近式模数转换器为双端逐次逼近式模数转换器，所述检测电路包括两个所述检测单元，分别为第一检测单元、第二检测单元，所述第一检测单元的第一端口与所述比较器的同相输入端口连接，所述第二检测单元的第一端口与所述比较器的反相输入端口连接。
进一步的，所述检测单元包括检测电容和检测开关，所述检测电容的第一端与所述比较器的输入端口连接，所述检测电容的第二端与所述检测开关的第一端连接，所述检测开关的第二端基于所述逻辑控制电路输出的控制信号选择性的连接到地电平或基准电平。
进一步的，所述检测电容的容值不小于所述逐次逼近式模数转换器最低有效位对应的电容的容值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于如上所述系统的SAR ADC单粒子翻转检测方法，包括：
量化阶段：利用所述逐次逼近式模数转换器对输入信号进行采样和量化，获得所述输入信号的数字值作为数字输出信号；
检测阶段：分析所述逐次逼近式模数转换器的残差电压在所述量化阶段完成后是否正常收敛，如果正常收敛则认为没有发生单粒子反转，如果没有正常收敛则认为发生了单粒子反转。
进一步的，所述分析所述逐次逼近式模数转换器的残差电压在所述量化阶段完成后是否正常收敛，包括：
根据所述数字输出信号最低有效位的数字值对所述检测电容进行置位；
将所述比较器的同相输入端口与反相输入端口的信号进行比较，获得检测比较结果；
当所述检测比较结果与所述数字输出信号最低有效位的数字值相同时，判断所述逐次逼近式模数转换器的残差电压没有正常收敛，当所述检测比较结果与所述数字输出信号最低有效位的数字值相反时，判断所述逐次逼近式模数转换器的残差电压正常收敛。
进一步的，所述根据所述数字输出信号最低有效位的数字值对所述检测电容进行置位，包括：
当所述最低有效位的数字值为“1”时，将所述第一检测单元中的所述检测开关连接到地电平，将所述第二检测单元中的所述检测开关连接到基准电平；
当所述最低有效位的数字值为“0”时，将所述第一检测单元中的所述检测开关连接到基准电平，将所述第二检测单元中的所述检测开关连接到地电平。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在逐次逼近式模数转换器的原有电容阵列中并联一组电容开关来检测逐次逼近式模数转换器中比较器两个输出端口之间的残差电压是否正常收敛，进而实现对单粒子翻转的检测，不需额外添加大量的电路结构和复杂的逻辑控制，以较小的面积损失、简单的电路逻辑实现了对逐次逼近式模数转换器单粒子翻转的检测。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中SAR ADC的电路结构示意图；
图2是本发明第一实施方式中SAR ADC单粒子翻转检测系统的电路结构示意图；
图3是本发明第二实施方式的流程图；
图4是本发明第二实施方式中SAR ADC工作的时序图；
图5是本发明第二实施方式中SAR ADC进行采样量化时的残差电压变化示意图；
图6是本发明第二实施方式中SAR ADC未发生单粒子翻转时的残差电压变化示意图；
图7是本发明第二实施方式中SAR ADC发生单粒子翻转时的残差电压变化示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的第一实施方式涉及一种SAR ADC单粒子翻转检测系统，包括：
电荷再分配型双端逐次逼近式模数转换器(SAR ADC)，如图1所示，包括用来进行电压比较的比较器、用来生成控制信号的逻辑控制电路、用来对输入信号进行采样保持和数模转换的开关电容阵列；
检测电路，包括两个检测单元，用来在逐次逼近式模数转换器完成对输入信号的采样量化后再进行一次电荷分配和电压比较，来检测残差电压是否正常收敛，进而判断是否发生单粒子翻转；其中，第一检测单元的第一端口与比较器的同相输入端口连接，第二端口与逻辑控制电路的输出端口连接，第二检测单元的第一端口与比较器的反相输入端口连接，第二端口与逻辑控制电路的输出端口连接。
具体如图2所示，一个N位SAR ADC的单粒子翻转检测系统包括：
采样开关模块1：其第一输入端口输入第一输入信号，第二端输入端口输入第二输入信号。
第一转换电容阵列2、第一转换开关阵列3：其中，第一转换电容阵列2包括N个与二进制权重位所对应的容值分别为C、2C……2N-1C的第一转换电容，第一转换开关阵列3包括N个第一转换开关，每个第一转换电容的第一端均与采样开关模块1的第一输出端口连接，每个第一转换开关的第一端均与对应的第一转换电容的第二端连接，每个第一转换开关的第二端选择性的连接到低电平或基准电平。
第二转换电容阵列4、第二转换开关阵列5：其中，第二转换电容阵列4包括N个与二进制权重位所对应的容值分别为C、2C……2N-1C的第二转换电容，第二转换开关阵列5包括N个第二转换开关，每个第二转换电容的第一端均与采样开关模块1的第二输出端口连接，每个第二转换开关的第一端均与对应的第二转换电容的第二端连接，每个第二转换开关的第二端选择性的连接到低电平或基准电平。
第一检测单元6、第二检测单元7：其中第一检测单元6包括第一检测电容、第一检测开关，第一检测电容的第一端与采样开关模块1的第一输出端口连接，第一检测电容的第二端与第一检测开关的第一端连接，第一检测开关的第二端选择性的连接到低电平或基准电平。第二检测模块包括第二检测电容、第二检测开关，第二检测电容的第一端与采样开关模块1的第二输出端口连接，第二检测电容的第二端与第二检测开关的第一端连接，第二检测开关的第二端选择性的连接到低电平或基准电平。
比较器8：其第一输入端口与第一检测单元6的第一端口连接，其第二输入端口与第二检测单元7的第一端口连接。
逻辑控制电路9：用来基于比较器8的输出结果生成控制信号控制开关切换。
上述采样开关模块1、第一转换电容阵列2、第一转换开关阵列3、第二转换电容阵列4、第二转换开关阵列5组成SAR ADC的开关电容阵列。
在实际操作中，若ADC正常完成量化，最后一次比较完成后DAC的残差电压一定收敛在1LSB以内，此时添加一次额外的比较，假设添加的辅助电容值与LSB电容权重相等，那么额外的这次比较结果一定与正常量化的最后一次结果相反。若ADC中间某一位发生单粒子翻转，那么最后一次比较完成后DAC的残差电压就不会收敛到1LSB，此时添加一位额外的辅助电容，仍然假设辅助电容值与LSB电容权重相等，那么额外的这次比较结果一定与正常量化的最后一次结果相同。
本发明的第二实施方式涉及一种SAR ADC单粒子翻转检测方法，通过上述检测系统来实现，如图3所示，包括：
A1.量化阶段：利用逐次逼近式模数转换器对输入信号进行采样和量化，获得输入信号的数字值作为数字输出信号；
A2.检测阶段：分析逐次逼近式模数转换器的残差电压在量化阶段完成后是否正常收敛，如果正常收敛则认为没有发生单粒子反转，如果没有正常收敛则认为发生了单粒子反转。
其中，分析逐次逼近式模数转换器的残差电压在量化阶段完成后是否正常收敛，包括：
B1.根据数字输出信号最低有效位的数字值对检测电容进行置位，当最低有效位的数字值为“1”时，将第一检测单元中的检测开关连接到地电平，将第二检测单元中的检测开关连接到基准电平；当最低有效位的数字值为“0”时，将第一检测单元中的检测开关连接到基准电平，将第二检测单元中的检测开关连接到地电平。
B2.对比较器的同相输入端口与反相输入端口的信号进行比较，获得检测比较结果；
B3.当该检测比较结果与数字输出信号最低有效位的数字值相同时，判断逐次逼近式模数转换器的残差电压没有正常收敛，当该检测比较结果与数字输出信号最低有效位的数字值相反时，判断逐次逼近式模数转换器的残差电压正常收敛。
下面以8位SAR ADC为例对本实施方式的工作过程进行详细讲解。
如图4所示，SAR ADC在工作时首先由采样电路对输入信号进行采样，采样的结果保存在电容阵列上面，若Vip＞Vin，那么比较器输出结果为1，此时，逻辑控制电路会将比较器正输入端电容阵列的最高位电容的底板接地，而比较器负输入端电容阵列的最高位电容底板接基准电压Vref，这样电容顶板的电压会发生改变，正输入端电压VP变为
负输入端的电压VN会变为
然后进行第二次比较，根据第二次比较的值对电容阵列的次高位进行置位，置位的原则是使电压大的一端电压值变小，电压小的一端电压值变大，这样在逐次的比较并置位的过程中，比较器输入的差分电压差值会逐渐逼近，也就是DAC的残差电压逐渐减小，最终收敛到1个LSB以内。在比较的过程中比较器依次输出的码字就是ADC将模拟信号转换为的数字信号。这一过程DAC残差电压变化的示意图如图5所示。
最终ADC的输出的数字值Dout可以表示为
Dout＝{D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0}，Di＝0或1；
由输出code还原出来的输入信号Din与数字输出Dout之间的关系可以表示为
模拟输入信号幅度可以表示为AIN＝Vip-Vin，每一次量化完成后的残差电压ΔV可以表示为
ΔV＝(AIN-Din)
若ADC正常完成量化，最后一次比较完成后DAC的残差电压ΔV一定收敛在1LSB以内，此时添加一次额外的比较，假设添加的辅助电容值与LSB电容权重相等，那么额外的这次比较结果一定与正常量化的最后一次结果相反，如图6所示。
若ADC中间某一位发生单粒子翻转，那么最后一次比较完成后DAC的残差电压就不会收敛到1LSB，此时添加一位额外的辅助电容，仍然假设辅助电容值与LSB电容权重相等，那么额外的这次比较结果一定与正常量化的最后一次结果相同，如图7所示。
综上所述，通过添加辅助电容和多一次比较的方式可以判断ADC在正常的量化过程中电路是否发生了单粒子翻转。但是实际电路在工作过程中，由于噪声的存在，低位的量化可能会出错，也就是说噪声的值会导致最后一次比较完成后DAC的残差电压略大于1LSB，此时通过增大辅助电容的值可以消除掉噪声的影响，例如我们将辅助电容的权重设计为4倍的LSB权重，那么可以消除掉相当于4LSB噪声的影响，只是这种情况下如果低两位发生单粒子翻转也会导致检测不到。不过低两位由于本身权重比较小，对ADC的整体性能影响也比较小，所以对低两位不做检测也是可以接受的。
Claims (7)
1.一种SAR ADC单粒子翻转检测系统，其特征在于，包括：
逐次逼近式模数转换器，所述逐次逼近式模数转换器为电荷再分配型逐次逼近式模数转换器，包括用来进行电压比较的比较器、用来生成控制信号的逻辑控制电路、以及用来对输入信号进行采样保持和数模转换的开关电容阵列；
检测电路，包括不少于一个检测单元，用来在所述逐次逼近式模数转换器完成对输入信号的采样量化后再进行一次电荷分配和电压比较，以检测所述逐次逼近式模数转换器的残差电压是否正常收敛，进而判断是否发生单粒子翻转；所述检测电路的第一端口与所述比较器的输入端口连接，所述检测电路的第二端口与所述逻辑控制电路的输出端口连接。
2.根据权利要求1所述的SAR ADC单粒子翻转检测系统，其特征在于，所述逐次逼近式模数转换器为双端逐次逼近式模数转换器，所述检测电路包括两个所述检测单元，分别为第一检测单元、第二检测单元，所述第一检测单元的第一端口与所述比较器的同相输入端口连接，所述第二检测单元的第一端口与所述比较器的反相输入端口连接。
3.根据权利要求1所述的SAR ADC单粒子翻转检测系统，其特征在于，所述检测单元包括检测电容和检测开关，所述检测电容的第一端与所述比较器的输入端口连接，所述检测电容的第二端与所述检测开关的第一端连接，所述检测开关的第二端基于所述逻辑控制电路输出的控制信号选择性的连接到地电平或基准电平。
4.根据权利要求3所述的SAR ADC单粒子翻转检测系统，其特征在于，所述检测电容的容值不小于所述逐次逼近式模数转换器最低有效位对应的电容的容值。
5.一种应用于如权利要求1-4所述系统的SAR ADC单粒子翻转检测方法，其特征在于，
包括：
量化阶段：利用所述逐次逼近式模数转换器对输入信号进行采样和量化，获得所述输入信号的数字值作为数字输出信号；
检测阶段：分析所述逐次逼近式模数转换器的残差电压在所述量化阶段完成后是否正常收敛，如果正常收敛则认为没有发生单粒子反转，如果没有正常收敛则认为发生了单粒子反转。
6.根据权利要求5所述的SAR ADC单粒子翻转检测方法，其特征在于，所述分析所述逐次逼近式模数转换器的残差电压在所述量化阶段完成后是否正常收敛，包括：
根据所述数字输出信号最低有效位的数字值对所述检测电容进行置位；
将所述比较器的同相输入端口与反相输入端口的信号进行比较，获得检测比较结果；当所述检测比较结果与所述数字输出信号最低有效位的数字值相同时，判断所述逐次逼近式模数转换器的残差电压没有正常收敛，当所述检测比较结果与所述数字输出信号最低有效位的数字值相反时，判断所述逐次逼近式模数转换器的残差电压正常收敛。
7.根据权利要求6所述的SAR ADC单粒子翻转检测方法，其特征在于，所述根据所述数字输出信号最低有效位的数字值对所述检测电容进行置位，包括：
当所述最低有效位的数字值为“1”时，将所述第一检测单元中的所述检测开关连接到地电平，并将所述第二检测单元中的所述检测开关连接到基准电平；
当所述最低有效位的数字值为“0”时，将所述第一检测单元中的所述检测开关连接到基准电平，并将所述第二检测单元中的所述检测开关连接到地电平。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119758023A (zh) * | 2024-11-27 | 2025-04-04 | 中国空间技术研究院 | 一种adc辐照检测方法 |
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2023
- 2023-07-21 CN CN202310905362.4A patent/CN117014009A/zh active Pending
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