一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计

摘" 要： 时钟分配电路是电子系统中信号处理单元参考时钟及多路时钟分配的关键元器件，其跟随系统在宇宙空间中容易受宇宙射线辐照发生单粒子效应，进而影响系统性能指标甚至基本功能。为此，提出一种针对数字单元翻转的微测试方法，结合分段存储技术完成高速时钟分配电路的单粒子效应的在线测试系统设计。另外，在HI⁃13串列加速器与HIRFL回旋加速器上进行了试验验证，成功监测到单粒子翻转、单粒子功能中断等典型单粒子效应。最后根据试验数据并结合FOM方法进行了电路在轨故障率推算，这对于集成电路研制阶段的测试评估与应用阶段的系统验证都有重要意义。

关键词： 单粒子效应； 时钟分配电路； HI⁃13串列加速器； HIRFL回旋加速器； 单粒子锁定； 单粒子翻转

中图分类号： TN47⁃34" " " " " " " " " " " " " " " "文献标识码： A" " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2024）10⁃0057⁃07

Design of single event effect testing system for high speed clock allocation circuits

Abstract： The clock distribution circuit is a key component for signal processing unit reference clock and multi⁃channel clock distribution in electronic systems. Its tracking system is prone to single event effects （SEE） caused by cosmic ray irradiation in space， which can affect system performance indicators and even basic functions. On this basis， a micro testing method for digital single⁃event upsets （SEU） is proposed， and an online testing system for SEE in high⁃speed clock allocation circuits is designed by combing with segmented storage technology. The experimental verification is conducted on both the HI⁃13 and the HIRFL. The typical single event testing effects such as SEU， single⁃event functional interrupt （SEFI） and single⁃event latch up （SEL） are monitored successfully. The circuit in orbit failure rate was calculated by means of FOM method and experimental data， which is of great significance for the testing and evaluation during the development phase of integrated circuits and the system validation during the application phase.

Keywords： SEE; clock distribution circuit; HI⁃13 serial accelerator; HIRFL cyclotron accelerator; SEL; SEU

0" 引" 言

空间带电粒子中有许多成分[1⁃2]，主要包含来自外空间射向地球的银河宇宙射线、太阳高能粒子和地球磁场捕获的高能粒子。其中银河宇宙射线来自于太阳系以外的宇宙射线，是被星际磁场加速到达地球空间的高能带电粒子，包含质子、α粒子、重离子等[3]；太阳上发生耀斑时会发射出高能带电粒子，主要成分是质子、少量的重离子[4]；地球磁场俘获大量的高能粒子，在地球周围形成6～7个地球半径的粒子辐射区，称为Van Allen带，包含质子、电子、重离子等[5⁃7]。在这些带电粒子中，单粒子效应首要关注的是重离子引起的电离[8⁃9]，本文所开展的试验就是模拟宇航空间环境。

单粒子效应是指单个高能粒子穿过集成电路灵敏区时，造成电路状态非正常改变的一种辐射效应，常见的单粒子效应包括单粒子锁定（Single⁃Event Latch up， SEL）、单粒子翻转（Single⁃Event Upset， SEU）、单粒子功能中断（Single⁃Event Functional Interrupt， SEFI）等。其中单粒子锁定是高能粒子入射到电路，导致电路产生异常突变电流，主要发生于CMOS电路中[10]；单粒子翻转是高能粒子作用于集成电路，使得电路逻辑状态发生异常变化，一般发生在数据存储或指令相关电路中；单粒子功能中断是单个高能粒子导致翻转，引起的控制回路非破坏性异常[11]。

时钟分配电路是电子系统中必不可少的部分，能够准确完成时钟信号的多路输出分配，并提供相位噪声指标卓越的系统时钟信号，被广泛应用于宇航环境信号处理系统中的超低噪声时钟供给及系统级多片电路时钟分配管理等方面，也是目前通信卫星的关键元器件之一。目前国内对时钟分配电路的单粒子测试系统研究较少，且主要针对SEL判断，因SEU的复杂性等，各方学者依旧进行深入研究。N. M. Khamiclullina等人设计的单粒子测试系统中虽然引入快速遍历数字单元值测试单元，但主要结合大型ATE设备采集，并无具体的采集速度提供灵活遍历指导，且设备过于庞大，对于重复开展试验研究也有一定困难[12]。

本单位研发团队设计的多路时钟分配电路每个输出通道都具有灵活的频率和相位调节功能，以及射频同步特性，通过控制单元可以同步多个输出时钟。整套测试系统采用微测试方法，能够准确提供测量系统遍历速度，且结合分段存储完成长时间监测，具有测试参数灵活、在线、体积小等优点。结合高速多路时钟分配电路生产工艺条件及设计结构分析，电路主要存在SEL、SEU、SEFI，通过加速器和高速多路时钟分配电路进行测试系统验证，验证本文设计的单粒子效应测试系统的可靠性和准确性。

1" 高速时钟单粒子效应测试系统原理

1.1" 数字翻转微测试方法原理

数字翻转微测试是指通过对数字寄存器进行遍历对比，但遍历轮询的速度需要结合实际情况进行测量，微测试示意图如图1所示。

由于高速时钟芯片集成度很高，内部数字电路为百万门级，即可假设数字存储器所在的MOS管在物理上近似为一个单位点。为了能够分辨出数字寄存器翻转变化，即第二次粒子注入前后值，控制系统遍历存储数据需要满足的频率公式如下：

式中：[fin]为测试系统需要的最低遍历频率，单位为Hz；[Nreg]为测试单元的数字寄存器个数；[Naddr]为寄存器数据地址位数；[Ndata]为寄存器数据位数；[∅]为试验的粒子注量率；[Si]为测试单元各个数字单元模块所占据的面积，单位为[cm2]。

1.2" 在线测试脉冲触发与分段存储原理

波形检测对于偶发信号的检测使用条件触发功能，单次偶发信号一般都是可以满足需求的。但单粒子测试系统需要考虑信号频发且长时间检测，若通过示波器存储所有的信号，从中选取需要的偶发信号进行判定，那么就需要将时基信号拉长，公式为：

记录时间长度=存储深度×采样周期=存储深度÷采样频率" " " （2）

仪器的存储深度一定时，若时基信号拉长将会导致得到的信号采样率降低，但对于高精度信号，测试系统需要高采样率才能满足设计需求。

分段存储是一种舍弃无效时间触发存储技术。由于存储高速时钟波形数据全部送入给系统，数据存储造成瓶颈，而分段存储通过舍弃掉死区时间，触发将得到采样的输出并存放到各段的存储空间中，从而可以高效地利用仪器的存储深度并保证数据的细节，也能够记录捕捉足够多的触发事件，以便进行有效的数据分析。

分段存储原理如图2所示。高速时钟信号在辐照条件下可能存在时钟脉宽变化的情况，但是大部分时间的信号为正常信号，测试系统不需要保存这样的数据，即为死区时间；当出现异常脉宽信号时，触发为一帧信号，进行分段保存，然后回放和分析，极大地缓解了存储空间压力。

1.3" 时钟分配电路单粒子效应检测原理

波形检测在使用高速时钟分配器测量单粒子效应时，需要结合参试电路的实际条件，以避免错误测试参数的增加，否则将使得测试系统过于臃肿。结合本次选择的参试电路工艺和设计结构，主要可能发生的单粒子效应有闭锁、功能中断、翻转。

时钟分配器闭锁效应主要表现为各路电路出现增大至规定值，故系统需要持续实时监测并记录器件各路电源电流，判定测试电路电流是否异常。单粒子功能中断主要体现为试验过程中若电路电流无明显变化，但分配器输出连续时钟波形中断，且需要重新配置寄存器才能恢复功能，则判定电路发生功能中断。单粒子翻转主要表现为可恢复的单次或多次转换错误：一是对于时钟分配器内部寄存器的值，通过微测试方法完成对试验过程中的电路寄存器值的多次扫描，记录对比；二是时钟分配电路设计结构和工艺方式的特殊判定方式，若时钟分配电路输出时钟发生一个或数个时钟周期的暂时性中断，则认为电路发生翻转，可判定一个输出时钟异常为一个单粒子翻转事件。

SEU和SEFI示意图如图3所示。

2" 高速时钟单粒子效应测试系统设计

2.1" 硬件系统设计

本次试验的时钟分配电路满足了灵活的高速时钟多路分配需求，具有超低噪声时钟和可编程配置输出，具体功能原理如图4所示。时钟分配电路包含分频单元、长延时单元、短延时单元、同步控制信号以及模式控制模块等。测试电路通过将输入的高频时钟信号进行缓冲后，待同步控制信号的控制同时输入多个通道的时钟分配器中，每级运算后都有长延时和短延时单元进行流水线型输出，完成信号同步功能；内部分配寄存器数据通过同步串行接口进行程序控制，配合分频计数模块可完成信号指定计数分配功能，分配时钟输出为低电压差分接口形式。

高速多路时钟分配电路单粒子效应测试系统总体原理如图5所示，主要包含信号激励系统、数据采集系统、上位机控制系统和待测器件（DUT）。

信号系统主要产生接收高速时钟信号和射频差分同步信号，通过差分缓冲区将需要分配的信号稳定接入时钟分配器中；外围系统通过电平转换，方便后续控制器采集信号，以及系统需要工作的时钟电路部分；数据采集模块包含电流电压检测，通过回采的值实时判断测试电流变化情况；高速示波器主要通过实时抓取时钟分配器的波形，并以分段存储技术完成试验数据的存储，便于后续试验分析；系统控制器主要采用FPGA系统完成系统测试的算法编写、数据读取、原始数据存储与上位机通信等。

2.2" 试验系统设计

本文基于HI⁃13串列加速器设计的单粒子效应在线测试系统主要包括真空辐照室、测量厅和控制厅三大部分，结构如图6所示。

控制系统需要远程执行可靠的控制命令和远程数据传输功能，具体如下。

1） 将焊接有待测电路（DUT）的试验板安装在真空罐内试验台架上，通过真空罐壁的专用接口将信号线缆连接至测试机（PXIe协议）上。

2） 选择好测试模式并配置相关信息，如：电源板块两路输出对应的上拉5%芯片电压（SEL、SEFI试验）、下拉5%电压（SEU试验）、时钟板卡输出1 GHz时钟信号为时钟分配电路提供主时钟等。

3） 在线控制程序使用.NET FRAMEWORK4.5架构，通过串口、GPIB口和网口等标准接口协议与下位机开展控制信号指令的传输。

4） 通过LabVIEW软件获取各个采集板块的电流、电压等数据，通过实时电流变化和时钟输出等，即可在线观察判断是否发生相应的单粒子效应。

5） 时钟翻转计数主要通过示波器的脉冲宽度触发模式捕捉，采用分段存储技术在有限的存储深度范围内尽量记录更多的异常脉冲。本次试验主时钟为1 GHz，采用8分频模式输出，正常输出为125 MHz时钟波形。设置捕捉信号脉宽w，设3.8 nslt;wlt;4.2 ns（5%误差带）记为正常波形；若小于3.8 ns或大于4.2 ns记为异常输出波形并累计统计。

本文主要在HI⁃13上开展时钟分配电路的单粒子试验，粒子射程最低满足Si中射程30.4 μm，注量率维持在12 000左右，可以通过改变粒子调节多种线性传输能量值（LET），实现多种LET值的试验。本次试验LET值最高可达37 MeV·cm2/mg。对于大于75 MeV·cm2/mg的LET值，则选择兰州近代物理研究所的HIRFL加速器，进行在线试验测试，以上试验于2023年1月、6月在中国近代物理研究所和中国原子能科学研究院进行。试验现场测试板如图7所示。

3" 结果与分析

3.1" SEL和SEFI

时钟分配电路配置好工作状态以后，正常电流为730 mA左右。束流注入大概一段时间后，电流开始持续下降（原因是部分内部寄存器翻转），下降到600 mA左右后，输出时钟波形发生畸变，此时通过程控软复位，电流及时钟波形可以恢复，恢复后，试验一段时间后电流又持续下降；经过多次复位，粒子注量累计到6.3×106时，电流突然降到150 mA（功能中断），此时通过程控软复位无法恢复电流，此时关掉电源，并重新上电后，电流恢复，时钟输出正常。通过回读寄存器值及分析相关位功能，判定电路已经未正常工作，电路发生单粒子功能中断。整个试验过程中，时钟分配器的电流均未出现异常增大的情况，电路也未发生单粒子锁定。单粒子试验电流变化图如图8所示。

3.2" SEU

输出波形半个时钟、1个时钟丢失情况见图9，输出多个时钟异常、频率变化图见图10。由图8～图10可知，电路在试验过程中检测到三种现象：一是时钟输出波形频率改变，结合设计结构为时钟分配电路寄存器值，当此值发生变化，通过回读寄存器与初始值比较完成翻转计数；二是时钟输出波形频率不变，中途出现持续不同时钟周期的时钟脉宽异常，即为异常脉宽的翻转，此时，通过累计判定完成电路翻转计数；三是功能中断，电流突然降至150 mA，无输出波形，复位无法恢复，关断电源并重新上电配置寄存器后，电流及波形恢复。

在离子注量从0～1×107个ions过程中，电流未出现异常增大，电路也未发生单粒子闭锁；电路输出波形出现中断，不能自行恢复，通过程控寄存器复位，电路功能才能恢复正常，电路发生功能中断；电路寄存器值和时钟波形发生变化，该电路发生单粒子翻转，累计翻转计数并统计各试验翻转，结果如表1所示。

Weibull拟合模型采用式（3）进行计算。拟合的SEU截面如图11所示。通常拟合的确定系数越接近1（预测数据与原始均值之差的平方和），说明拟合效果越好。拟合公式如下：

[FL=A[1-exp[-（k（L-L0））S]]]" "（3）

本次Weibull拟合的确定系数为0.996 5，拟合模型对饱和截面进行了一个数量级的范围放宽和拟合，而非传统的采用极限截面值作为测试电路的饱和截面值。

通过FOM方法估算在轨翻转率[13⁃14]，公式如下：

式中：[L0.25]为饱和截面[Csm]的25%处的特征值，通过饱和截面曲线可知，约为8.958 MeV·cm2/mg；K为环境相关系数（轨道翻转率系数），环境相关系数采用同步轨道太阳最小年情况下的K值（K=200），计算出的翻转率为6.36 ×[10-4cm2/b]。

4" 结" 语

经过本文测试系统试验验证，获取了高速多路时钟分配电路抗单粒子特性：没有发生电流突然增大的单粒子闭锁效应，但是发生了数字控制单元的单粒子翻转和输出波形的单粒子功能中断效应。后续结合试验数据将进一步验证分析，从电路设计和系统验证两方面提高电路抗单粒子效应的能力，最后通过FOM方法预估电路在轨翻转率。通过单粒子试验验证了本文设计的单粒子效应测试系统的准确性和可靠性，并指导时钟分配电路等通用集成电路的单粒子效应测试。这不仅为集成电路抗辐照效应的测试提供支持，并能够为特定应用场景需求提供方法指导。随着工艺技术的发展和使用环境要求的提升，会给单粒子效应测试系统带来新的挑战，只有不断地改进测试系统，才能适应和面对更加复杂的应用环境需求。

参考文献

[1] DAISUKE K. Scaling trends of digital single⁃event effects： a survey of SEU and SET parameters and comparison with transistor performance [J]. IEEE transactions on nuclear science， 2021， 68（2）： 124⁃148.

[2] 沈自才，丁义刚.抗辐射设计与辐射效应[M].北京：中国科学技术出版社，2015：39⁃43.

[3] YANG T W， LI H Y， GUO X Y， et al. Investigation of single event effect in 28nm system⁃on⁃chip with multi patterns [J]. Chinese physics B， 2020， 29（10）： 45⁃49.

[4] EDWARD Petersen.空间单粒子效应：影响航天电子系统的危险因素[M].韩郑生，沈自才，丁义刚，等译.北京：电子工业出版社，2016：46⁃69.

[5] BOSSER A L， GUPTA V， JAVANAINEN A， et al. Single⁃event effects in the peripheral circuitry of a commercial ferroelectric random access memory [J]. IEEE transactions on nuclear science， 2018， 65（8）： 132⁃138.

[6] WANG Z， CHEN W， YAO Z， et al. Proton⁃induced single⁃event effects on 28 nm Kintex⁃7 FPGA [J]. Microelectronics reliability， 2020， 107： 113594.

[7] ZHEN P X， LI B， LI H N， et al. The effects of total ionizing dose on the SEU cross⁃section of SOI SRAMs [J]. Electronics， 2022， 11（19）： 67⁃71.

[8] WANG J J， BI J S， LIU G. Simulations of single event effects in 6T2C⁃based ferroelectric non⁃volatile static random access memory [J]. Semiconductor science and technology， 2021， 36（1）： 301⁃307.

[9] 赵培雄.SRAM和MRAM器件的单粒子效应研究[D].兰州：中国科学院大学，2020.

[10] JEFFREY P， VALENTIJN S D. Time⁃dependent single⁃event effects in CMOS $LC$⁃oscillators [J]. IEEE transactions on nuclear science， 2019， 66（9）： 234⁃239.

[11] LUO J， WANG T S， LI D Q， et al. Investigation of flux dependent sensitivity on single event effect in memory devices [J]. Chinese physics B， 2018， 27（7）： 409⁃415.

[12] KHAMIDULLINA N M， ZEFIROV I V， CHERNIKOV P S. Analysis of single event effects created by space ionizing radiation in the microcircuits of the interplanetary spacecraft radio electronic equipment [J]. Solar system research， 2022， 56（7）： 12⁃16.

[13] YAN N， ZHANG K， XU P Y， et al. A design of single event effect test system [J]. Journal of physics： conference series， 2021， 1971（1）： 15⁃19.

[14] 曹洲，安恒，高欣.电子电路和集成电路单粒子效应[M].北京：北京理工大学出版社，2021：236⁃253.