模拟数字转换器AD574总剂量和单粒子翻转的协合效应

相传峰 姚 帅 于 新 李小龙 陆 妩 王 信 刘默寒孙 静郭 旗蔡 娇杨 圣

1（新疆大学物理科学与技术学院 乌鲁木齐 830046）

2（中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境功能材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）

3（中国科学院新疆理化技术研究所新疆电子信息材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）

4（中国科学院大学 北京 100049）

模拟数字转换器（Analog-digital converter，ADC）电路可以将模拟信号转换为数字信号，在卫星载荷中起到不可替代的作用。典型空间环境剂量率为10−6～10−4Gy（Si）/s，电子元器件普遍存在电离总剂量（Total ionizing dose，TID）效应，含有双极工艺的电子器件对低剂量率损伤增强（Enhance low dose rate sensitivity，ELDRS）效应敏感，同时重离子、质子等高能粒子还会导致单粒子效应（Single event effect，SEE），如单粒子翻转（Single event upset，SEU）、单 粒 子 瞬 态（Single event transients，SET）［1-2］。对于含有双极工艺的电子器件同时面临ELDRS和SEE的威胁［3-4］，现行评估标准尚未考虑不同类型辐射效应的影响，宇航候选元器件存在预期之外的风险。

国外有研究对ADC的TID效应和SEE分别进行了报道［5-8］，TID使ADC参数退化，SEE使ADC电路功能失效。国外对ADC电路的TID-SEU协合效应也进行了相关报道［9］，TID会改变ADC电路在不同线性传能密度（Linear energy transfer，LET）下发生SEU的次数，SEU的次数增多或减小取决于生产厂家的工艺技术。国内对ADC电路TID的测试方法进行了总结，提出了一种基于计算机控制的动态测试系统［10-11］。中国科学院新疆理化技术研究所和中国电子科技集团等单位对国产ADC电路开展了低剂量率辐照试验，并确定了国产双极工艺ADC电路存在ELDRS效应［12-14］。国内对ADC电路的SEE也有相关的研究［15-17］，发现入射粒子的LET值越高，工作频率越高，输入电压越高，ADC电路发生SEE的概率越大。文献［18］通过电路设计对ADC电路进行抗SEE加固，提高了电路抗单粒子闩锁（Single-event latchup，SEL）的能力。总体来看，国外针对ADC电路TID-SEU的协合效应研究限于一种型号ADC电路，缺乏不同型号ADC电路TID对SEU的影响研究。国内对双极工艺ADC电路的TID-SEU协合效应鲜有报道。因此，本工作以含有双极工艺的AD574为研究对象，在10−4Gy（Si）/s的低剂量率条件下累积电离辐射，对TID-SEU协合效应进行深入研究，分析协合效应影响机制，对评估方法的持续改进具有重要意义。

1 样品及条件

试验样品为ADI公司bipolar/I2L工艺的12位逐次逼近型模拟数字转换器电路AD574，由电压比较器、控制逻辑电路、逐次逼近寄存器（Successive approximation register，SAR）、高精度基准电压源和时钟等单元组成，如图1所示。

图1 模拟数字转换器AD574内部电路结构Fig.1 Internal circuit structure of ADCAD574

试验由两部分组成：（1）60Coγ辐照试验在中国科学院新疆理化技术研究所的60Coγ放射源上进行，考虑到选取的样品为双极工艺产品，辐照时选用美军标规定的空间实际剂量率10−4Gy（Si）/s，室温辐照且试验样品所有管脚接地，累积总剂量为400 Gy（Si）；（2）激光单粒子试验在中国科学院国家空间中心进行，激光波长为1 064 nm，光斑直径为1.5μm，能量为1.2 nJ，频率为1 kHz，激光扫描步长为3μm。根据文献［19］，该条件下激光的表面LET约为80 MeV‧cm2/mg，与中国科学院近代物理研究所加速器给出的Ta离子表面LET相当。TID与SEU试验装置及过程示意图如图2所示。60Coγ辐照试验时由直流电源提供可靠接地，SEU试验时由直流电源供电ADC电路，信号源提供ADC电路0 V、1 V及2.5 V模拟输入信号，数字输出信号由数据采集模块采集，并通过计算机控制及保存数据。在激光辐照开始之前设置好电源电压和模拟输入信号，开始进行激光辐照的同时采集数字输出信号，直至整个芯片扫描结束。

图2 总剂量与单粒子翻转试验装置及过程示意图Fig.2 Diagram of TID and SEU test device and process

2 结果

60Coγ辐照前后AD574的SEU结果如图3～5所示。结果表明AD574的TID-SEU协合效应显著。图3为累积400 Gy（Si）剂量前后，0 V模拟输入信号对应的输出码值翻转情况，每条竖线代表100个码值内的翻转次数。AD574输入信号为−5～5 V，对应输出码值在0～4 095，其中0 V对应的中心码值为2 048。为比较输出码值的翻转情况，图3中未显示中心码值2 048的翻转次数。60Coγ辐照之前输出码值翻转以2 048码值为中心，较为均匀地分布在其两边；60Coγ辐照之后输出码值翻转更多分布在中心码值右侧，在输出码值2 000～3 000内，输出码值翻转次数从484次增加到751次，TID效应改变了AD574的输出码值翻转的分布。

图3 输入信号0 V时累积总剂量对AD574单粒子输出码值翻转的影响Fig.3 Influence of TID on SEU output code value at input signal of 0 V for ADCAD574

当输入信号为1 V时，60Coγ辐照前后输出码值翻转情况如图4所示，对应的输出码值是2 458。未进行60Coγ辐照时输出码值翻转更多地偏向中心码值右侧，翻转的输出码值最高位达到4 000～4 095，而且小于500的码值没有发生翻转；进行60Coγ辐照后输出码值的翻转向中心码值右侧偏移更加显著。在输出码值为4 000～4 095位置翻转次数由175次增加到610次。

图4 输入信号1 V时累积总剂量对AD574单粒子输出码值翻转的影响Fig.4 Influence of TID on SEU output code values at input signal 1 V for ADC AD574

图5为2.5 V模拟信号输入时的输出码值翻转变化，此时器件的输出码值为3 072。与1 V模拟信号输入的情况类似，输出码值翻转更多地偏向中心码值右侧。60Coγ辐照前输出码值翻转集中在3 500～4 000，出现翻转的最低位码值在1 000～1 100，与1 V输入条件相比更大。60Coγ辐照后输出码值翻转主要集中在4 000～4 095，从469次增加982次。

图5 输入信号2.5 V时累积总剂量对AD574输出码值翻转的影响Fig.5 Influence of TID on SEU output code values at input signal 2.5 V for ADCAD574

3 讨论

当激光辐照改变AD574内部逐次逼近寄存器（SAR）结构逻辑状态时，就会导致SEU的发生，这种改变可以分为直接改变和间接改变。直接改变是激光扫描到SAR电路时，直接改变逻辑存储状态，使存储出现0到1或1到0的变化，引起SEU。间接改变是激光辐照与SAR相连的比较器，可能导致电压比较器出现SET并进一步传导到SAR电路，从而改变输出码值并引起SEU。ADC电路输出信号为数字信号，所以单粒子形态为SEU。在分析SEU起因时，有必要对内部模拟单元的单粒子效应进行分析，例如电压比较器［19］。电压比较器的输出信号为模拟信号，对应的单粒子形态为SET。前期针对电压比较器TID与SET协合效应的研究结果显示，低电平输出时，TID会增加电压比较器SET的幅值和脉冲持续时间［20-23］，如图6～7所示。图6中是激光扫描同一位置产生的三种SET波形，累积电离辐射后，电压比较器的幅值由5 V增加到9 V，脉冲宽度由0.5μs展宽到3μs。累积电离辐射后，电压比较器SET更易传播到存储电路，使低电平上升到高电平，引起ADC电路的SEU次数增多。

图6 低电平输出偏置时电压比较器的典型单粒子瞬态波形：（a）未累积总剂量；（b）低剂量率10−4 Gy(Si)/s辐照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

图7 低电平输出时电压比较器单粒子瞬态脉宽－幅值统计分布Fig.7 Amplitude width statistical distribution of the SET in voltage comparator with low level

4 结论

累积400 Gy（Si）电离剂量后，AD574的TID-SEU试验结果表明，累积电离剂量会对双极工艺ADC的输出码值翻转产生影响，主要表现为输出码值翻转分布及次数的改变，在输入模拟信号为0 V、1 V、2.5 V的条件下，输出码值的翻转均向中心码值的右侧漂移，导致大于中心码值位置的翻转次数增大。当激光扫描到SAR、与之相连的比较器时，会导致ADC输出码值的翻转，由于比较器在累积电离剂量后单粒子瞬态幅值和宽度显著增大，会引起与之相连的SAR状态改变，从而导致输出码值的翻转。累积电离总剂量后比较器单粒子瞬态敏感性的增加，有可能导致ADC输出码值翻转的分布及次数发生变化。由于ADC电路结构复杂，需要进一步借助仿真手段深入分析ADC的TID-SEU协合效应影响机制。