一种自适应抗辐射探测控制器芯片及控制系统
技术领域
本实用新型涉及微电子技术领域，更具体地，特别涉及一种自适应抗辐射探测控制器芯片及控制系统。
背景技术
当电子设备在辐射环境中工作时，构成这些电子设备的集成电路元器件也会暴露于辐射环境中，不可避免地会受到辐射的影响而导致正电荷累积，造成集成电路元器件的性能退化甚至失效(这种情况为总剂量效应)，从而导致整个电子设备发生故障。
为降低辐射环境对电子设备中的集成电路元器件造成的不良影响，已有文献报道了应用于辐射环境中的抗辐射控制器芯片，其是通过射线探测器对环境中的辐射强度进行探测并输出辐射模拟信号；通过信号比较器将此辐射模拟信号以及由带隙基准器所提供的基准电压信号进行比对，得到状态模拟信号；控制器根据此状态模拟信号控制被保护集成电路元器件的“工作”和“停止工作”等状态，以达到保护集成电路等电子元器件免受辐射影响的目的。
但是在上述抗辐射控制器芯片中，作为关键部件的信号比较器本身也属于集成电路，也需要长时间暴露于辐射环境中并持续工作，所以信号比较器受到总剂量辐射效应所带来的负面影响对抗辐射控制器芯片来说就显得更为重要，因为它的工作状态直接影响整个芯片系统工作的可靠性。如果不能保证信号比较器状态的稳定和正常输出，对被需要保护的集成电路等电子元器件的保护效果将大打折扣。因此，需要提供一种新型的自适应抗辐射探测控制器芯片以及控制系统，以解决上述问题。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种自适应抗辐射探测控制器芯片及控制系统，能够对被需要保护的集成电路等电子元器件形成有效保护。
为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
本实用新型的第一方面，公开了一种自适应抗辐射探测控制器芯片，包括：射线探测器，用于探测放射线的辐射强度并提供辐射强度信号；信号比较器，连接至射线探测器，用于根据辐射强度信号提供模拟信号；以及自适应控制器，自适应控制器的输入端连接至信号比较器的输出端，用于根据模拟信号生成状态信号，并根据状态信号向信号比较器的控制端提供控制信号；其中，当状态信号表征信号比较器处于待修正状态时，控制信号被设置以修正信号比较器的工作参数。
进一步地，前述自适应控制器包括检测模块、比较模块和控制模块，其中：检测模块连接至信号比较器的输出端，用于对模拟信号进行探测以生成状态信号；比较模块连接至检测模块，用于根据状态信号和预定的基准信号提供对比结果；控制模块连接至比较模块，用于根据比较结果和预定的基准信号提供控制信号。
进一步地，自适应控制器为专用集成电路。
进一步地，前述自适应抗辐射探测控制器芯片还包括信号采样电路，信号采样电路连接在射线探测器与信号比较器之间，用于对辐射强度信号进行放大和滤波处理。
进一步地，信号采样电路包括运算放大电路和信号滤波电路，其中运算放大电路连接在射线探测器与信号滤波电路之间。
进一步地，前述自适应抗辐射探测控制器芯片还包括模数转换器和数据输出电路，其中模数转换器的输入端连接至所述信号比较器的输出端，模数转换器的输出端连接至数据输出电路的输入端。
进一步地，前述自适应抗辐射探测控制器芯片还包括：保护电路，连接至所述信号比较器，以保护所述信号比较器。
进一步地，前述保护电路包括：看门狗电路、三模冗余电路和抗单粒子翻转的DICE结构电路中的至少一个。
进一步地，前述自适应抗辐射探测控制器芯片具有抗辐射加固结构，该抗辐射加固结构包括特殊栅结构、抗单粒子闩锁的隔离环中的至少一种。
进一步地，前述射线探测器为半导体射线探测器。
进一步地，前述半导体射线探测器为BCD工艺的P沟道LDMOS器件。
本实用新型的第二方面，公开了一种自适应抗辐射探测控制系统，包括：显示装置；以及如上所述的自适应抗辐射探测控制器芯片，显示装置电连接至自适应抗辐射探测控制器芯片的输出端。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型提供一种自适应抗辐射探测控制器芯片，其包括射线探测器部分和自适应抗辐射控制器部分，由于该自适应抗辐射控制器部分能够对其中的信号比较器进行调节和修正，因此能够在辐射环境中长时间地稳定工作，从而能够实现对被保护集成电路元器件电路的有效保护。
进一步地，通过将射线探测器和自适应抗辐射控制器集成为一个芯片，可以降低自适应抗辐射控制器的复杂度，减少封装成本。而且与分立器件相比，集成后的自适应抗辐射探测控制器芯片具有更小的体积，满足芯片小型化发展需求。
本实用新型提供的自适应抗辐射探测控制系统，由于包括上述自适应抗辐射探测控制器芯片，因此也具有相同或相近的优势。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本实用新型实施例的自适应抗辐射探测控制器芯片的示意图；
图2示出了根据本实用新型实施例的BCD工艺的P沟道LDMOS器件的示意性结构图；
图3示出了根据本实用新型实施例的自适应抗辐射探测控制系统的示意图。
附图标记列表：
100-自适应抗辐射探测控制器芯片；101-N阱；
102-P阱； 103-栅极；
104-栅氧化层；105-场氧；
106-氧化层；110-射线探测器；
120-自适应抗辐射控制器；121-信号采样电路；
121a-运算放大电路； 121b-信号滤波电路；
122-信号比较器；123-自适应控制器；
123a-检测模块； 123b-比较模块；
123c-控制模块； 124-低压差线性稳压器；
125-模数转换器；126-数据输出电路；
200-外部设备。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元器件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应理解，除非另有说明，否则在本申请实施例的表述中，A与B连接(或耦接)，可以表示A与B直接连接(或耦接)，也可以表示A与B通过其他的器件连接(或耦接)。
图1示出了根据本实用新型实施例的自适应抗辐射探测控制器芯片的示意图。如图1所示，本实用新型公开一种自适应抗辐射探测控制器芯片100，包括射线探测器110和自适应抗辐射控制器120。
射线探测器110用于探测放射线的辐射强度，以输出辐射强度信号给自适应抗辐射控制器120；自适应抗辐射控制器120用于根据射线探测器110提供的辐射强度信号向外部设备(例如显示装置)提供至少表征放射线辐射强度的数字信号。在本实用新型实施例中，自适应抗辐射控制器120包括自适应控制器123，该自适应控制器123能够根据环境中的放射线强度控制自适应抗辐射控制器120的内部元器件的工作状态，从而达到自适应抗辐射的效果。
在本实施例的一些可选的实现方式中，射线探测器110为半导体射线探测器。半导体射线探测器具有体积小、灵敏度高、响应速度快和稳定性高等优点，在半导体固体辐射探测技术领域中有广泛的应用。进一步地，半导体射线探测器采用P沟道LDMOS(LaterallyDiffused Metal Oxide Semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体)器件，其在外加VT辐射偏置的情况下，通过探测P沟道LDMOS辐射感生阈值电压漂移的幅度与辐射强度呈现近乎线性的单调对应关系的线形区域变化情况，间接实现探测环境辐射强度的探测。
LDMOS是一种双扩散结构器件，是一种包括栅极G、源极S、漏极D以及衬底正面引出端B的四端器件。进一步地，为了方便P沟道LDMOS器件的集成、确保P沟道LDMOS器件具备精确和准确的探测能力，优选BCD工艺的P沟道LDMOS器件。图2示出了典型的BCD工艺的直栅P沟道LDMOS器件的结构示意图。如图2所示，P沟道LDMOS器件包括衬底(未图示)以及通过向衬底中注入杂质并进行退火而形成的N阱101和P阱102。在N阱101和P阱102中形成有场氧105；在衬底的边缘还具有隔离介质层106；衬底上依次覆盖有栅氧化层104和栅极103。
P沟道LDMOS器件的栅极103下具有场氧105，当受到空间带电粒子辐射时，在电离辐射外加电场的作用下，栅氧化层104中氧化物将辐照剂量转化为电荷，累积正的陷阱电荷，使场氧105下形成n+的导电沟道(图2中虚线箭头标出了电流方向)，导致器件阈值电压的漂移，漂移的幅度与辐照剂量呈现近乎线性的单调对应关系，利用这样的性质可以通过简单电路实现实时探测。因此，采用P沟道LDMOS器件、尤其是采用BCD工艺的直栅P沟道LDMOS器件进行放射线的探测，能够确保探测结果的精确度和准确性。
如前述，自适应抗辐射控制器120用于根据射线探测器110提供的辐射强度信号向外部设备提供至少表征放射线辐射强度的数字信号。在该实施例中，为了保证自适应抗辐射探测控制器芯片100在辐射环境中持续稳定工作，该自适应抗辐射控制器120能够根据接收到的辐射强度信号调整其自身的工作状态，使得自适应抗辐射控制器120处于预定工作状态下。
具体的，自适应抗辐射控制器120至少包括信号比较器122和自适应控制器123。其中，信号比较器122用于根据辐射强度信号以及接收的基准电压信号Vref进行对比运算，输出模拟信号Vc；自适应控制器123用于接收模拟信号Vc、将模拟信号Vc转换为状态信号Si、对比状态信号Si和预定的基准信号Sref，并根据对比结果及预定的基准信号Sref，进行信号修正或补偿处理后生成控制信号Sc。控制信号Sc用于调整后端的负载工作状态，即用于调整信号比较器122的工作状态。或者说，控制信号Sc被设置以修正信号比较器122自身的工作参数，使信号比较器122能够根据当前外部环境的辐射强度变化情况调整自身的工作状态，从而使其维持在预定的正常状态下工作。
自适应控制器123将所接收到的模拟信号Vc，输出至外部电子设备中被保护的集成电路元器件(未示出)，控制其开闭。通过开闭被保护的元器件电路，来实现对处于辐射环境中的一些电子设备等进行有效保护。
在本实施例中，模拟信号Vc例如为基准电压信号Vref与辐射强度信号之间的电压差。优选地，前述自适应抗辐射控制器120还可以包括低压差线性稳压器124(low dropoutregulator，LDO)，以向信号比较器122提供基准电压信号Vref。
通过将模拟信号Vc发送至自适应控制器123，自适应控制器123生成控制信号Sc，并将控制信号Sc反馈至信号比较器122。因此，该自适应抗辐射探测控制器芯片100能够实时对辐射环境中的放射线强度进行测量，并且能够在放射线对自适应抗辐射探测控制器芯片100、尤其是信号比较器122造成了不利影响之后(即处于待修正状态)及时进行适应性调整，保证自适应抗辐射探测控制器芯片100、尤其是信号比较器122在辐射环境中持续稳定工作。
在本实施例的一些优选的实现方式中，如图1所示，自适应抗辐射控制器120还包括信号采样电路121。信号采样电路121包括运算放大电路121a和信号滤波电路121b，其中，运算放大电路121a与射线探测器110连接，用于接收射线探测器110输出的辐射强度信号，并对该辐射强度信号进行运算放大；信号滤波电路121b与运算放大电路121a连接，用于接收经过运算放大的辐射强度信号，并对其进行信号滤波处理，从而获得采样信号，并将采样信号输出至信号比较器122。信号比较器122根据采样信号以及接收的基准电压信号Vref进行对比运算，输出模拟信号Vc。
进一步参考图1，前述自适应抗辐射控制器120还可以包括模数转换器125(A/D)。模数转换器125的输入端连接至信号比较器122的输出端，用于将模拟信号Vc实时转换为数字信号So并输出。进一步地，前述自适应抗辐射控制器120还可以包括数据输出电路126。数据输出电路126的输入端连接至模数转换器125的输出端，用于将接收到的数字信号So传输至外部设备，以便于展示或分析数字信号So。
作为一个示例，信号比较器122至少包括两个输入端、一个控制端和一个输出端，其中一个输入端连接至信号采样电路121的输出端，用于接收采样信号；另一个输入端连接至接收低压差线性稳压器124，用于接收低压差线性稳压器124提供的基准电压信号Vref。信号比较器122将上述两个输入端接收的信号进行对比运算，从而得到模拟信号Vc。模拟信号Vc比如是基准电压信号Vref与采样信号之间的电压差。信号比较器122通过其输出端将模拟信号Vc分别发送至自适应控制器123和模数转换器125。
自适应控制器123连接至信号比较器122的输出端，用于根据模拟信号Vc提供控制信号Sc，并将控制信号Sc传输给信号比较器122。具体的，自适应控制器123用于对模拟信号Vc进行探测，获得状态信号Si，并根据状态信号Si生成控制信号Sc。状态信号Si比如是表征信号比较器处于异常或正常工作状态下的信号。当状态信号Si表征信号比较器122处于待调整状态(即处于异常的工作状态)时，自适应控制器123向信号比较器122的控制端提供控制信号Sc，以控制调整信号比较器122，使信号比较器122恢复至预定的正常状态；当状态信号Si表征信号比较器122处于非待调整状态(即处于预定的正常状态)时，自适应控制器123向信号比较器122的控制端提供控制信号Sc，以使控制信号比较器122继续保持在预定的正常状态。
具体的，控制信号Sc是参考预定的基准信号Sref，将对比结果Sr进行信号修正或补偿处理后得到的信号，用以修正或调节信号比较器122。
作为一个示例，自适应控制器123至少包括两个输入端和一个输出端，其中，自适应控制器123的一个输入端与信号比较器122的输出端连接以探测模拟信号Vc，另一个输入端用于输入预定的基准信号Sref。预定的基准信号Sref比如是表征给定的信号比较器在正常工作下的性能指标信号。自适应控制器123的输出端与信号比较器122的控制端连接以向其提供控制信号Sc。
自适应控制器123通过对信号比较器122输出的模拟信号Vc进行探测，判断出信号比较器122的工作状态，生成状态信号Si，并将状态信号Si与预定的基准信号Sref进行对比，根据对比结果Sr及预定的基准信号Sref，进行信号修正或补偿处理后，产生控制信号Sc。对比结果Sr比如是状态信号Si与基准信号Sref之间的电压差。该控制信号Sc适于调整后端的负载工作状态，即信号比较器122的工作状态，从而使信号比较器122能够根据当前外部信号变化情况调整自身的工作状态，使其基本维持在预定的正常状态下工作。
作为一个示例，如图1所示，自适应控制器123包括检测模块123a、比较模块123b和控制模块123c。
具体地，检测模块123a的输入端连接至信号比较器122的输出端，以对信号比较器122输出的模拟信号Vc进行探测，生成状态信号Si。检测模块123a的输出端连接至比较模块123b的一个输入端，以将状态信号Si输出至后级比较模块123b。比较模块123b的另一个输入端用于接收预定的基准信号Sref，并将预定的基准信号Sref与状态信号Si进行对比，得到对比结果Sr。控制模块123c的输入端连接至比较模块123b的输出端，以接收对比结果Sr，根据对比结果Sr及预定的基准信号Sref，进行信号修正或补偿处理后生成控制信号Sc，并将控制信号Sc发送至信号比较器122的控制端。控制信号Sc调整后端的负载工作状态，即信号比较器122的工作状态，使信号比较器122根据当前外部信号变化情况调整自身的工作状态，使其基本维持在预定的正常状态下工作。
优选地，自适应控制器123为专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuits，ASIC)。应当理解，本实施例对于上述检测模块123a、比较模块123b和控制模块123c的具体形式不做特别限定，可以是能够实现上述相应功能的电路等。
可选的，自适应控制器123还进一步包括连接至检测模块123a的显示面板，以根据状态信号Si显示信号比较器122超过正常工作状态的范围，便于工作人员在必要的情况下，对信号比较器122进行人工调节。
优选地，自适应抗辐射控制器还包括连接至信号比较器122的保护电路(未示出)，以进一步保护信号比较器122。本实施例对于保护电路不做特别限定，只要能够对信号比较器122进行有效保护即可，例如为看门狗电路、三模冗余电路和抗单粒子翻转的DICE结构电路等中的至少一个。
优选地，在本实施例中，自适应抗辐射探测控制器芯片100中的敏感逻辑电路中采用抗辐射加固设计技术。抗辐射加固设计例如包括特殊栅结构设计、抗单粒子闩锁的隔离环设计等方式中的至少一种。
本实施例中利用保护电路或抗辐射加固设计对自适应抗辐射探测控制器芯片100进行保护，从而能进一步保护信号比较器122，提高信号比较器122的抗辐射能力，从而可以进一步保证信号比较器122以及自适应抗辐射探测控制器芯片100在辐射环境下安全稳定地工作，最终实现对于外部电子设备的有效保护。
除此以外，还可以通过材料和工艺措施，对自适应抗辐射探测控制器芯片100进行加固，达到抗辐射的要求。比如在CMOS、SOI、SOS、砷化镓、铁电等工艺方面均能够进行精加工，并且应用到自适应抗辐射探测控制器芯片100中。
上述射线探测器110和自适应抗辐射控制器120最好集成在同一个处理单元中，这样只需对单一芯片进行封装，可以大大降低封装成本。此外，还有利于降低芯片体积，满足芯片小型化的要求。进行集成后，在组装系统时，只需对单一芯片进行一次焊接，可减少组装难度。
如图3所示，本申请还提供一种包括上述自适应抗辐射探测器芯片100的自适应抗辐射探测器系统，例如，将自适应抗辐射探测控制器芯片100连接至外部设备200，外部设备200例如包括显示装置，具体可以将显示装置与数据输出电路126连接。将该自适应抗辐射探测器系统设置于辐射环境中，可以显示该辐射环境的放射线强度等参数，并且由于其具有自适应调节的功能，因此可以在辐射环境持续稳定工作。
在上述实施例中，自适应抗辐射探测控制器芯片能够实时对辐射环境中的放射线强度进行测量，并且能够在放射线对自适应抗辐射探测控制器芯片本身造成了不利影响之后及时进行适应性控制调整，可以保证自适应抗辐射探测控制器芯片在辐射环境中持续稳定工作，同时工作人员能够通过自适应抗辐射探测控制系统了解系统周围目前所处的辐射环境，便于在出现严重问题后及时提醒工作人员进行人工调整。
进一步地，将自适应抗辐射探测控制器芯片集成于芯片中，减少了外部导线连接的干扰影响，使外界因素对芯片的影响也将降低，最终达到对辐射强度精确、准确地探测的目的，使自适应抗辐射探测控制器芯片的稳定性得到提升，信号传输速度也将得到提升。
依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
