抗輻射精密SAR ADC的單事件效應(yīng)性能

擁有正確的技術(shù)將衛(wèi)星送入環(huán)繞地球的軌道、向遙遠(yuǎn)的行星發(fā)送探測器以及在火星等行星表面著陸漫游車是很重要的。在任何這些任務(wù)開始之前，在地球上已經(jīng)完成了大量工作，以使設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)太空和其他星球上的惡劣環(huán)境。鑒定的一個(gè)方面是單事件效應(yīng) (SEE) 測試，用于確定設(shè)備對他們在太空中可能看到的離子撞擊的響應(yīng)。重要的是要知道設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致災(zāi)難性損壞的單事件燒毀 (SEB) 或單事件閂鎖 (SEL)。了解設(shè)備是否有任何單事件功能中斷 (SEFI) 或表現(xiàn)出任何持久的單事件擾亂或瞬變 (SEU 或 SET) 也很重要。

必須了解精密 SAR ADC 的 SEE 響應(yīng)，因?yàn)樗鼈冊跍y量各種類型的信號（例如溫度、位置和電池電壓）以及許多其他類型的測量中具有準(zhǔn)確性。這些測量必須在惡劣的太空環(huán)境中保持其精度。從溫度傳感器讀取并由精密 SAR ADC 轉(zhuǎn)換的溫度對于了解電子模塊的工作溫度以補(bǔ)償設(shè)備性能非常重要。從傳感器讀取并由精密 SAR ADC 轉(zhuǎn)換的位置對于確定正確的軌道對齊或確保新太空艙可以與國際空間站 (ISS) 正確對接非常重要。了解為衛(wèi)星上的電子系統(tǒng)供電的電池的電池電壓至關(guān)重要，以便系統(tǒng)可以在電壓過高或過低時(shí)做出相應(yīng)的響應(yīng)。這些只是精密 SAR ADC 的一些可能使用案例，但它們都是太空任務(wù)的重要測量。這些測量必須準(zhǔn)確且必須精確，否則可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

在本文中，我們探討了與精密 SAR ADC 相關(guān)的各種輻射效應(yīng)。測試用于空間應(yīng)用的精密 SAR ADC 包括監(jiān)測 ADC 電源電流的任何 SEB/SEL 行為，以及監(jiān)測輸出數(shù)據(jù)是否存在任何可能發(fā)生的 SEFI、SEU 或 SET 事件的跡象。這是在一系列能級上執(zhí)行的，以生成預(yù)測曲線，該曲線可與軌道信息或任務(wù)剖面信息一起使用，以確定可能發(fā)生的這些類型的 SEE 事件的預(yù)期數(shù)量和幅度。在討論這些影響后，我們將了解抗輻射（rad-hard）精密 SAR ADC 如何為各種類型的空間應(yīng)用（例如繞地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星）提供穩(wěn)健可靠的解決方案。

一般來說，確認(rèn)設(shè)備在太空中遇到重離子撞擊時(shí)能夠正常運(yùn)行的第一步是驗(yàn)證設(shè)備不會(huì)因 SEB/SEL 事件而造成任何損壞。由于精密 ADC 用于不同類型的關(guān)鍵功能和測量，因此在許多空間應(yīng)用中，重要的第一步是確保 ADC 不會(huì)因 SEB/SEL 事件而遭受損壞，尤其是災(zāi)難性損壞。顯然，災(zāi)難性損害很容易被發(fā)現(xiàn)。在這種情況下，ADC 的電源域會(huì)顯著增加電源電流，甚至可能看起來該域幾乎對地短路，并吸收正常預(yù)期電流的許多倍。然而，并非所有 SEB/SEL 故障都是災(zāi)難性的。一般來說，確定是否發(fā)生 SEB/SEL 事件的標(biāo)準(zhǔn)是監(jiān)視電源電流的變化是否大于標(biāo)稱工作電流的 ±10%。圖 1 顯示了在 SEB/SEL 測試運(yùn)行期間對一組示例的四個(gè)精密 ADC 的電流測量。在這里，可以看出沒有觀察到電流變化大于標(biāo)稱工作電流的 ±10% 的事件。需要測試四個(gè)設(shè)備才能確定結(jié)果。對于所示的精密 ADC，6.3 V 是在沒有觀察到 SEB/SEL 事件的情況下測試的最高輸入電壓。這使精密 ADC 有資格在沒有任何 SEB/SEL 事件的情況下支持 6.3 V。執(zhí)行這些測試時(shí)，器件被加熱到其最大規(guī)定結(jié)溫。部分目的是將設(shè)備置于最壞情況下的操作條件下，

圖 1：SEB/SEL 測試運(yùn)行監(jiān)控電源電流——四個(gè)被測器件（來源：瑞薩電子）

每個(gè)電源域都必須以類似的方式進(jìn)行測試，以使設(shè)備符合額定電壓，而不會(huì)出現(xiàn) SEB/SEL 事件。對于典型的精密 SAR ADC，將有一個(gè)模擬電源 (AVCC)、一個(gè)數(shù)字電源 (DVCC) 和一個(gè)參考電壓電源 (VREF)。在某些情況下，模擬輸入可被視為電源輸入，還應(yīng)監(jiān)控 SEB/SEL 事件。ADC 不顯示 SEB/SEL 事件很重要；否則，它會(huì)使該設(shè)備在太空應(yīng)用中的使用變得更加困難?？梢圆捎镁徑饧夹g(shù)為 ADC 提供一些保護(hù)，但這樣做成本高且不可取。一旦發(fā)現(xiàn) ADC 在 SEB/SEL 測試期間運(yùn)行良好且沒有不利影響，下一步就是觀察 SEFI、SEU 和 SET 事件的設(shè)備行為。

為了觀察 SEFI、SEU 和 SET 事件，采用允許檢測和記錄此類事件的可靠測試方法非常重要。一種這樣的方法是在其正常操作模式下操作精密 SAR ADC，其中輸入信號處于 ADC 的中間電平。這種方法將 ADC 置于其工作范圍的中間，允許在正向和負(fù)向兩個(gè)方向觀察 SET 事件。觀察 ADC 輸出的代碼是否超出基于中檔模擬??輸入的預(yù)期值附近的定義閾值。任何違反此閾值的輸出代碼都會(huì)與記錄代碼時(shí)的時(shí)間戳一起記錄。該閾值是通過在沒有任何重離子輻射的情況下收集 ADC 上的數(shù)據(jù)來確定的，以確定 ADC 的固有噪聲。

例如，要找到這個(gè)可觀察到的 SET 閾值，第一步是在 14 位分辨率的設(shè)備上設(shè)置 ±2-4 個(gè)代碼的檢測窗口。目標(biāo)是逐漸增加此窗口，直到可以觀察到 ADC 輸出 5-10 分鐘，并且沒有超過閾值的輸出代碼。此步驟執(zhí)行的時(shí)間越長，閾值的置信度就越高。顯然，時(shí)間很重要，因此在分配用于觀察 ADC 輸出代碼的時(shí)間中必須有一些判斷。通常，5-10 分鐘比在德克薩斯 A&M 大學(xué)回旋加速器研究所等設(shè)施進(jìn)行的典型重離子測試要長得多。在獲得正確的通量和總通量的情況下，典型的運(yùn)行持續(xù) 2-3 分鐘或更短。設(shè)置閾值的總體目標(biāo)是確信任何超過閾值的輸出代碼來自重離子撞擊，而不是 ADC 的固有噪聲。任何違反閾值的事件都會(huì)被記錄為 SET 事件。

圖 2：SET 檢測閾值窗口（來源：瑞薩電子）

出于本文的目的，SEU 事件將被視為影響 ADC 輸出代碼的設(shè)備配置寄存器中的翻轉(zhuǎn)事件。通過觀察 ADC 輸出代碼是否違反閾值，可以通過器件輸出代碼的變化來觀察給定 ADC 的內(nèi)部配置寄存器中的異常。如果 SEU 事件發(fā)生并且不會(huì)導(dǎo)致 ADC 輸出代碼的擾亂，則可以認(rèn)為該事件不會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在這種情況下，如果觀察到預(yù)期的 ADC 輸出代碼，則沒有可觀察到的事件，因此不會(huì)中斷系統(tǒng)。除了檢測 SET 和 SEU 事件外，此方法還可用于識別任何可能發(fā)生的 SEFI 事件。

SEFI 事件將被視為 ADC 輸出以這種方式中斷的事件，這種方式會(huì)導(dǎo)致部件在沒有用戶干預(yù)的情況下無法使用。這可能是 ADC 輸出丟失或 ADC 輸出代碼鎖存到特定代碼（例如滿量程、零量程或預(yù)期中間量程代碼之外的某個(gè)其他值）的事件。該事件必須發(fā)生并且 ADC 必須保持在特定的錯(cuò)誤狀態(tài)，直到用戶干預(yù)使 ADC 恢復(fù)正常操作。與 SEU 和 SET 事件不同，其中 ADC 輸出自行恢復(fù)正常運(yùn)行，SEFI 事件對系統(tǒng)運(yùn)行的危害更大。必須檢測到 SEFI 事件，并且用戶必須實(shí)施使 ADC 恢復(fù)正常運(yùn)行的對策。在最壞的情況下，SEFI 事件將需要 ADC 重新上電以清除錯(cuò)誤狀態(tài)。顯然，這對于用戶來說是非常不希望的。再一次，此處描述的測試方法將檢測任何此類 SEFI 事件。每當(dāng) ADC 輸出代碼超過定義的閾值時(shí)，ADC 輸出代碼都會(huì)與時(shí)間戳一起記錄。時(shí)間戳是確定 SEFI 事件的關(guān)鍵。如果觀察到一系列違反閾值的連續(xù)代碼并繼續(xù)無止境，則檢測并記錄 SEFI 事件。通常，用于檢測和記錄輸出代碼的算法會(huì)對存儲(chǔ)的代碼數(shù)量有所限制。當(dāng)達(dá)到此限制并且執(zhí)行的后續(xù)測量顯示 ADC 輸出仍處于相同狀態(tài)時(shí)，則觀察到 SEFI 事件。在那時(shí)候，可以采用各種措施使 ADC 恢復(fù)正常運(yùn)行。可以使用諸如發(fā)出設(shè)備復(fù)位（如果存在）之類的措施。最好采用除設(shè)備電源周期外的所有潛在方法來查看是否可以清除 SEFI 事件。如果沒有找到方法，則可以執(zhí)行電源循環(huán)。通常，這應(yīng)該清除 SEFI 事件并使 ADC 恢復(fù)正常運(yùn)行。如果 ADC 沒有恢復(fù)正常運(yùn)行，則該設(shè)備很可能不適合太空應(yīng)用。這應(yīng)該清除 SEFI 事件并使 ADC 恢復(fù)正常運(yùn)行。如果 ADC 沒有恢復(fù)正常運(yùn)行，則該設(shè)備很可能不適合太空應(yīng)用。這應(yīng)該清除 SEFI 事件并使 ADC 恢復(fù)正常運(yùn)行。如果 ADC 沒有恢復(fù)正常運(yùn)行，則該設(shè)備很可能不適合太空應(yīng)用。

使用重離子執(zhí)行 SEE 測試的主要目標(biāo)之一是生成 Weibull 擬合曲線，以允許在給定設(shè)備上執(zhí)行預(yù)測分析。這個(gè)想法是在重離子測試期間觀察到的 SET 事件并生成一條曲線來顯示 SET 橫截面。這是針對下面圖 3 中的示例 ADC 給出的。

圖 3：記錄的 SET 事件的 Weibull 擬合曲線（來源：瑞薩電子）

通常，希望具有盡可能高的起始值和盡可能低的飽和點(diǎn)。起始值是以 MeV?cm 2為單位的 LET/mg 觀察到 SET 事件。顯然，這個(gè)值越高，就越不擔(dān)心低能量粒子引起 SET 事件。通過適當(dāng)?shù)钠帘危梢詼p少觀察到的整體 SET 事件。飽和水平是 SET 事件的數(shù)量不隨 LET 的增加而增加的地方。期望具有較低的飽和水平，因?yàn)檫@表明對于較高能量的粒子，SET事件的數(shù)量不會(huì)增加。因?yàn)槲覀冊诘厍蛏峡捎玫臏y試設(shè)施無法產(chǎn)生在太空中觀察到的能級，所以這是威布爾曲線的一個(gè)重要部分，需要理解。飽和度較低時(shí)，這表明在太空中可以預(yù)期的 SET 事件不應(yīng)比在重離子 SEE 測試期間觀察到的高很多。當(dāng)來自 Weibull 擬合曲線的數(shù)據(jù)被輸入 CREME96 模型以推斷給定軌道中的預(yù)期設(shè)備響應(yīng)時(shí)，確定了所有這些信息和擾亂概率。現(xiàn)在讓我們看一個(gè)用于太空應(yīng)用的設(shè)備示例。

Renesas 的 ISL73141SEH 抗輻射精密 SAR ADC 是適合輻射豐富的空間環(huán)境的 ADC 示例之一。本文所述的測試方法適用于該設(shè)備。圖 1 中的電源電流數(shù)據(jù)和圖 3 中的 Weibull 擬合曲線來自 ISL73141SEH 的數(shù)據(jù)。對于此設(shè)備，SET 事件的檢測閾值設(shè)置為±8 個(gè)代碼的非常低的值。即使值如此之低，統(tǒng)計(jì)上也很少觀察到 SET 事件。就 SET 事件的數(shù)量與觀察到的樣本數(shù)量而言，總共 > 99% 的觀察到的樣本沒有 SET 事件。高達(dá) 86 MeV?cm 2的最高測試 LET/mg，持續(xù)單個(gè)樣本的 SET 事件的百分比平均大于所有觀察到的 SET 事件的 94%。在剩余的 6% 中，SET 事件持續(xù)時(shí)間不超過三個(gè)連續(xù)樣本。此外，大多數(shù) SET 事件與預(yù)期值相差不到 100 個(gè) ADC 代碼。這一切都意味著，如果 SET 事件發(fā)生，它們的持續(xù)時(shí)間非常短且幅度非常小，這反過來又意味著它們對系統(tǒng)級的影響非常小。在 SEE 測試期間沒有觀察到 SEFI 事件，并且 ISL73141 的額定電壓高達(dá) AVCC = 6.3 V，沒有 SEB/SEL 事件，這大大高于 5.5 V 的最大工作電源電壓。

在為空間應(yīng)用選擇精密 SAR ADC 時(shí)，明智地選擇非常重要。SEE 性能必須適合具有挑戰(zhàn)性的太空環(huán)境。ADC 還應(yīng)該不受 SEB/SEL 事件的影響，只要電源電壓高于其工作范圍，SEU/SET 速率應(yīng)該盡可能低，理想情況下，應(yīng)該沒有 SEFI 事件。

　　審核編輯：湯梓紅