一种抗辐照加固高压DAC的设计①

苏 晨，雷郎成，高炜祺

(中国电子科技集团公司 第二十四研究所，重庆 400060)

0 引言

在卫星的实时控制系统中，经常使用高压数模转换器(DAC)对机械臂、陀螺、光学成像结构进行数字控制。由于高压DAC中使用了大量厚栅氧的高压MOS器件，在γ总剂量辐照环境下，由于γ射线在栅氧化层中引起电离，导致正电荷在Si/ SiO2界面积累或引入表面态，使得MOS器件的阈值均负向偏移，NMOS器件漏电，严重时增强型NMOS器件甚至会发生反型[1-3]。

根据以上效应机理，γ总剂量辐照会造成高压DAC中运放直流工作点变化、偏置电流失配、开关阻抗失配、带隙基准漂移等多种效应[4-5]。通常设计中采用NMOS器件环栅设计可避免漏电，但阈值负偏移效应无法避免，只能靠工艺优化氧化层质量，减少氧化层缺陷引起的正电荷数量来降低阈值负偏移效应[6-7]。

文章从γ射线激发的正电荷在电场作用下的迁移效应出发，利用薄栅氧和低电压条件下阈值负偏移效应减弱的机理，进行了高压DAC的结构设计。该设计方法利用高低压混合工作的MOS器件[8-9]，可有效降低NMOS器件在γ总剂量辐照环境下的阈值负偏移，避免运放直流工作点变化、偏置电流失配、开关阻抗失配、带隙基准漂移等效应，从而保证高压DAC具备较好的抗γ总剂量能力。

1 普通高压DAC结构

高压DAC整体由控制逻辑、基准、基准缓冲、R-2R网络网络、锁存器、输出运放单元组成，控制逻辑控制锁存器锁存数据总线上的数据，基准单元为2.5 V带隙基准，基准缓冲将2.5 V基准提供给R-2R电阻网络，R-2R网络输出0～2.5 V模数转换电压，输出运放按要求的输出范围放大模拟输出并增强驱动能力。

2 抗辐照高压DAC结构

通常的高压DAC中，无论基准、基准缓冲、R-2R电阻网络、控制逻辑、锁存器和输出运放均使用高压MOS管设计。但是，由于高压MOS管栅氧厚度较大，在γ总剂量辐照环境下阈值负偏移严重，因此抗辐照能力很低，在没有特殊工艺加固手段的情况下通常仅有20k rad(Si)的抗总剂量能力。鉴于MOS器件阈值负偏移的程度与栅氧厚度直接相关，因此使用薄栅氧的低压MOS器件就成为提高抗辐照能力的重要手段[10-12]。

图2 抗辐照高压DAC结构图

在抗辐照高压DAC中，增加了低压差稳压器(LDO)，整个DAC除了LDO和输出运放外，其余电路均采用薄栅氧的低压MOS器件。这样，整个DAC核心的抗辐照能力大大提高。但是，输出运放的高压MOS器件仍然可能限制电路总的抗辐照能力，因此，需要对通常的输出运放进行一定的优化[8-9]。

3 高压DAC抗辐照机理

3.1 MOS器件阈值负漂移机理

电离射线，如γ光子，穿过MOS结构时，在SiO2中产生电子-空穴对，在γ光子离开氧化层之后，一些电子会同空穴复合。没有被复合的电子-空穴对为辐照生成的电荷。没有被初始复合的空穴向Si/SiO2的界面，通过SiO2中的局域态跳跃输运，当空穴到达界面，一些空穴将被陷阱俘获，形成正的氧化层陷阱电荷。同时，氢离子(质子)也可以作为空穴，通过氧化层进行跳跃式输运，在Si/SiO2界面附近被陷阱俘获。氢离子也能够漂移到Si/SiO2界面，进行反应形成界面陷阱。由于陷阱电荷为正电荷，对于增强型MOS管来说相当于施加了一个正的寄生电压，因此会导致阈值发生负偏移[13-14]。

图4 辐照引起的电荷生成过程图

对于所有的粒子类型，随着电磁场强度的增加，空穴同电子的复合比例降低，没有被复合的比例增加。考虑生成的空穴和电子空穴对的效应，在氧化层生成的、没有被初始复合的空穴总数Nh由式(1)给出，为：

Nh=f(Eox)g0Dtox

(1)

其中，f(Eox)表示生成的空穴，作为氧化层电磁场的函数，D表示剂量，tox表示氧化层厚度，g0表示材料相关参数，给出每剂量率下初始电荷对密度(对于SiO2单个剂量，g0=8.1×1012对/cm3)。

可知，氧化层越厚，则同剂量γ光子引起的电子-空穴对越多，电磁场越强，被输运到Si/SiO2界面附近被陷阱俘获的电荷越多。

3.2 高压DAC抗辐照机理

为了提高高压DAC抗γ总剂量的能力，分别从减少SiO2缺陷数量和提高空穴同电子的复合比例两方面入手。

在图1的电路中，由于采用了LDO对内核进行降压，基准、基准缓冲、R-2R电阻网络、控制逻辑和锁存器都可以采用5 V以下的薄栅氧MOS管进行设计，这样减少了γ光子在SiO2中扫出的电子-空穴对，也减少了被SiO2陷阱俘获的空穴数量，降低了MOS器件的阈值变化。

图1 普通高压DAC结构图

在图3的电路中，P1、P2、P3、N1、N2、N3仍然使用高压管，保证了DAC的宽输出范围。由于P1、P2、P3管的阈值虽然发生负偏移，但这3个PMOS管的作用主要是作为匹配的有源负载，因此除了对增益略有影响外，并不会严重输出运放的性能。而N1、N2、N3管仅用于源极钳位，VBIAS为低压直流点，在这3个NMOS器件发生阈值负偏移时，反而会使输出运放的直流点更加稳定。N4、N5、N6管仍然使用低压NMOS管，这样在辐照条件下阈值负偏移程度较小，能够保证输出运放的正常工作。同时，低压NMOS管少许的阈值负偏移有利于提高增益，可以补偿高压PMOS管辐照后的增益损失[14-15]。

图3 高压输出运放结构图

4 验证效果

根据上述抗辐照高压DAC的优化方法，设计了一款15 V工作的8位D/A转换器，输出范围0 V～10 V。通过增加LDO和在输出运放增加钳位高压NMOS管，在器件内部实现了大范围使用3.3 V低压MOS器件。通过对优化前后的高压DAC进行常规剂量辐照对比试验，优化后的DAC常态环境下参数性能与优化前一致，满度误差±2.5 LSB，零点误差±1 LSB，线性误差±0.5 LSB，输出范围0 V～10 V，在剂量率30 rad(Si)/s，15 V电源条件下，抗总剂量水平从20k rad(Si)提高至50k rad(Si)。

5 结论

文章基于MOS器件在辐照环境下阈值负漂移的机理，通过分析造成阈值负漂移的两个关键因素：氧化层缺陷数和空穴电子复合比例，得到了内置LDO降压和输出运放钳位降压的抗辐照设计方法，并对原始高压DAC电路改进后进行验证。通过辐照试验证明，通过内置LDO降压和输出运放钳位降压，将高压DAC抗辐照能力提高至50k rad(Si)。

为进一步提高器件的抗辐照能力，后续将研究进一步降低内置LDO电压的情况下对抗辐照能力的影响。通过LDO将高压DAC内核电压降至3.3 V，在输出运放部分通过钳位，使用3.3 V的薄栅氧MOS管进行输出放大，可能在不降低性能参数的情况下，将高压DAC抗辐照能力提高至150k rad(Si)。