模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD574總劑量和單粒子翻轉(zhuǎn)的協(xié)合效應(yīng)

相傳峰 姚 帥 于 新 李小龍 陸 嫵 王 信 劉默寒孫 靜郭 旗蔡 嬌楊 圣

1（新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 烏魯木齊 830046）

2（中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

3（中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所新疆電子信息材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

4（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-digital converter，ADC）電路可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在衛(wèi)星載荷中起到不可替代的作用。典型空間環(huán)境劑量率為10?6～10?4Gy（Si）/s，電子元器件普遍存在電離總劑量（Total ionizing dose，TID）效應(yīng)，含有雙極工藝的電子器件對低劑量率損傷增強(qiáng)（Enhance low dose rate sensitivity，ELDRS）效應(yīng)敏感，同時重離子、質(zhì)子等高能粒子還會導(dǎo)致單粒子效應(yīng)（Single event effect，SEE），如單粒子翻轉(zhuǎn)（Single event upset，SEU）、單 粒 子 瞬 態(tài)（Single event transients，SET）［1-2］。對于含有雙極工藝的電子器件同時面臨ELDRS和SEE的威脅［3-4］，現(xiàn)行評估標(biāo)準(zhǔn)尚未考慮不同類型輻射效應(yīng)的影響，宇航候選元器件存在預(yù)期之外的風(fēng)險。

國外有研究對ADC的TID效應(yīng)和SEE分別進(jìn)行了報道［5-8］，TID使ADC參數(shù)退化，SEE使ADC電路功能失效。國外對ADC電路的TID-SEU協(xié)合效應(yīng)也進(jìn)行了相關(guān)報道［9］，TID會改變ADC電路在不同線性傳能密度（Linear energy transfer，LET）下發(fā)生SEU的次數(shù)，SEU的次數(shù)增多或減小取決于生產(chǎn)廠家的工藝技術(shù)。國內(nèi)對ADC電路TID的測試方法進(jìn)行了總結(jié)，提出了一種基于計算機(jī)控制的動態(tài)測試系統(tǒng)［10-11］。中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所和中國電子科技集團(tuán)等單位對國產(chǎn)ADC電路開展了低劑量率輻照試驗，并確定了國產(chǎn)雙極工藝ADC電路存在ELDRS效應(yīng)［12-14］。國內(nèi)對ADC電路的SEE也有相關(guān)的研究［15-17］，發(fā)現(xiàn)入射粒子的LET值越高，工作頻率越高，輸入電壓越高，ADC電路發(fā)生SEE的概率越大。文獻(xiàn)［18］通過電路設(shè)計對ADC電路進(jìn)行抗SEE加固，提高了電路抗單粒子閂鎖（Single-event latchup，SEL）的能力?？傮w來看，國外針對ADC電路TID-SEU的協(xié)合效應(yīng)研究限于一種型號ADC電路，缺乏不同型號ADC電路TID對SEU的影響研究。國內(nèi)對雙極工藝ADC電路的TID-SEU協(xié)合效應(yīng)鮮有報道。因此，本工作以含有雙極工藝的AD574為研究對象，在10?4Gy（Si）/s的低劑量率條件下累積電離輻射，對TID-SEU協(xié)合效應(yīng)進(jìn)行深入研究，分析協(xié)合效應(yīng)影響機(jī)制，對評估方法的持續(xù)改進(jìn)具有重要意義。

1 樣品及條件

試驗樣品為ADI公司bipolar/I2L工藝的12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路AD574，由電壓比較器、控制邏輯電路、逐次逼近寄存器（Successive approximation register，SAR）、高精度基準(zhǔn)電壓源和時鐘等單元組成，如圖1所示。

圖1 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD574內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal circuit structure of ADCAD574

試驗由兩部分組成：（1）60Coγ輻照試驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的60Coγ放射源上進(jìn)行，考慮到選取的樣品為雙極工藝產(chǎn)品，輻照時選用美軍標(biāo)規(guī)定的空間實際劑量率10?4Gy（Si）/s，室溫輻照且試驗樣品所有管腳接地，累積總劑量為400 Gy（Si）；（2）激光單粒子試驗在中國科學(xué)院國家空間中心進(jìn)行，激光波長為1 064 nm，光斑直徑為1.5μm，能量為1.2 nJ，頻率為1 kHz，激光掃描步長為3μm。根據(jù)文獻(xiàn)［19］，該條件下激光的表面LET約為80 MeV?cm2/mg，與中國科學(xué)院近代物理研究所加速器給出的Ta離子表面LET相當(dāng)。TID與SEU試驗裝置及過程示意圖如圖2所示。60Coγ輻照試驗時由直流電源提供可靠接地，SEU試驗時由直流電源供電ADC電路，信號源提供ADC電路0 V、1 V及2.5 V模擬輸入信號，數(shù)字輸出信號由數(shù)據(jù)采集模塊采集，并通過計算機(jī)控制及保存數(shù)據(jù)。在激光輻照開始之前設(shè)置好電源電壓和模擬輸入信號，開始進(jìn)行激光輻照的同時采集數(shù)字輸出信號，直至整個芯片掃描結(jié)束。

圖2 總劑量與單粒子翻轉(zhuǎn)試驗裝置及過程示意圖Fig.2 Diagram of TID and SEU test device and process

2 結(jié)果

60Coγ輻照前后AD574的SEU結(jié)果如圖3～5所示。結(jié)果表明AD574的TID-SEU協(xié)合效應(yīng)顯著。圖3為累積400 Gy（Si）劑量前后，0 V模擬輸入信號對應(yīng)的輸出碼值翻轉(zhuǎn)情況，每條豎線代表100個碼值內(nèi)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。AD574輸入信號為?5～5 V，對應(yīng)輸出碼值在0～4 095，其中0 V對應(yīng)的中心碼值為2 048。為比較輸出碼值的翻轉(zhuǎn)情況，圖3中未顯示中心碼值2 048的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。60Coγ輻照之前輸出碼值翻轉(zhuǎn)以2 048碼值為中心，較為均勻地分布在其兩邊；60Coγ輻照之后輸出碼值翻轉(zhuǎn)更多分布在中心碼值右側(cè)，在輸出碼值2 000～3 000內(nèi)，輸出碼值翻轉(zhuǎn)次數(shù)從484次增加到751次，TID效應(yīng)改變了AD574的輸出碼值翻轉(zhuǎn)的分布。

圖3 輸入信號0 V時累積總劑量對AD574單粒子輸出碼值翻轉(zhuǎn)的影響Fig.3 Influence of TID on SEU output code value at input signal of 0 V for ADCAD574

當(dāng)輸入信號為1 V時，60Coγ輻照前后輸出碼值翻轉(zhuǎn)情況如圖4所示，對應(yīng)的輸出碼值是2 458。未進(jìn)行60Coγ輻照時輸出碼值翻轉(zhuǎn)更多地偏向中心碼值右側(cè)，翻轉(zhuǎn)的輸出碼值最高位達(dá)到4 000～4 095，而且小于500的碼值沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn)；進(jìn)行60Coγ輻照后輸出碼值的翻轉(zhuǎn)向中心碼值右側(cè)偏移更加顯著。在輸出碼值為4 000～4 095位置翻轉(zhuǎn)次數(shù)由175次增加到610次。

圖4 輸入信號1 V時累積總劑量對AD574單粒子輸出碼值翻轉(zhuǎn)的影響Fig.4 Influence of TID on SEU output code values at input signal 1 V for ADC AD574

圖5為2.5 V模擬信號輸入時的輸出碼值翻轉(zhuǎn)變化，此時器件的輸出碼值為3 072。與1 V模擬信號輸入的情況類似，輸出碼值翻轉(zhuǎn)更多地偏向中心碼值右側(cè)。60Coγ輻照前輸出碼值翻轉(zhuǎn)集中在3 500～4 000，出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的最低位碼值在1 000～1 100，與1 V輸入條件相比更大。60Coγ輻照后輸出碼值翻轉(zhuǎn)主要集中在4 000～4 095，從469次增加982次。

圖5 輸入信號2.5 V時累積總劑量對AD574輸出碼值翻轉(zhuǎn)的影響Fig.5 Influence of TID on SEU output code values at input signal 2.5 V for ADCAD574

3 討論

當(dāng)激光輻照改變AD574內(nèi)部逐次逼近寄存器（SAR）結(jié)構(gòu)邏輯狀態(tài)時，就會導(dǎo)致SEU的發(fā)生，這種改變可以分為直接改變和間接改變。直接改變是激光掃描到SAR電路時，直接改變邏輯存儲狀態(tài)，使存儲出現(xiàn)0到1或1到0的變化，引起SEU。間接改變是激光輻照與SAR相連的比較器，可能導(dǎo)致電壓比較器出現(xiàn)SET并進(jìn)一步傳導(dǎo)到SAR電路，從而改變輸出碼值并引起SEU。ADC電路輸出信號為數(shù)字信號，所以單粒子形態(tài)為SEU。在分析SEU起因時，有必要對內(nèi)部模擬單元的單粒子效應(yīng)進(jìn)行分析，例如電壓比較器［19］。電壓比較器的輸出信號為模擬信號，對應(yīng)的單粒子形態(tài)為SET。前期針對電壓比較器TID與SET協(xié)合效應(yīng)的研究結(jié)果顯示，低電平輸出時，TID會增加電壓比較器SET的幅值和脈沖持續(xù)時間［20-23］，如圖6～7所示。圖6中是激光掃描同一位置產(chǎn)生的三種SET波形，累積電離輻射后，電壓比較器的幅值由5 V增加到9 V，脈沖寬度由0.5μs展寬到3μs。累積電離輻射后，電壓比較器SET更易傳播到存儲電路，使低電平上升到高電平，引起ADC電路的SEU次數(shù)增多。

圖6 低電平輸出偏置時電壓比較器的典型單粒子瞬態(tài)波形：（a）未累積總劑量；（b）低劑量率10?4 Gy(Si)/s輻照Fig.6 Typical waveform of the SET in voltage comparator with low-level output:(a)unirradiated;(b)irradiated with LDR of 10?4 Gy(Si)/s

圖7 低電平輸出時電壓比較器單粒子瞬態(tài)脈寬－幅值統(tǒng)計分布Fig.7 Amplitude width statistical distribution of the SET in voltage comparator with low level

4 結(jié)論

累積400 Gy（Si）電離劑量后，AD574的TID-SEU試驗結(jié)果表明，累積電離劑量會對雙極工藝ADC的輸出碼值翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為輸出碼值翻轉(zhuǎn)分布及次數(shù)的改變，在輸入模擬信號為0 V、1 V、2.5 V的條件下，輸出碼值的翻轉(zhuǎn)均向中心碼值的右側(cè)漂移，導(dǎo)致大于中心碼值位置的翻轉(zhuǎn)次數(shù)增大。當(dāng)激光掃描到SAR、與之相連的比較器時，會導(dǎo)致ADC輸出碼值的翻轉(zhuǎn)，由于比較器在累積電離劑量后單粒子瞬態(tài)幅值和寬度顯著增大，會引起與之相連的SAR狀態(tài)改變，從而導(dǎo)致輸出碼值的翻轉(zhuǎn)。累積電離總劑量后比較器單粒子瞬態(tài)敏感性的增加，有可能導(dǎo)致ADC輸出碼值翻轉(zhuǎn)的分布及次數(shù)發(fā)生變化。由于ADC電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要進(jìn)一步借助仿真手段深入分析ADC的TID-SEU協(xié)合效應(yīng)影響機(jī)制。