随着数字信号处理技术与航天事业的不断发展，高精度数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)广泛应用于空间电子系统中。然而，DAC在太空中实际工作时不可避免地受到宇宙射线、高能粒子的辐射影响，容易导致电性能恶化、数字逻辑发生翻转，甚至功能失效，对卫星电路控制系统造成巨大损坏，因此很有必要在工程应用前在地面对DAC进行抗辐射性能评估。
国内外在电路结构设计、工艺等方面对DAC抗辐射加固的研究已开展多年[1-2]，在不同剂量率、试验条件下的DAC辐照效应和损伤机理亦有报 道[3-5]，但对DAC抗辐射性能评估测量系统却鲜有提及。从DAC辐照效应研究推断出，目前进行辐照效应试验主要借助于大型综合测试仪，或针对部分芯片建立了以微处理器为核心的分立辐照监测系统[6-7]。这类监测系统通用性差、成本昂贵、可拓展性不强，无法满足高精度、高速DAC的抗辐照性能评估测量需求。
本文在分析DAC抗辐照性能评估测量系统需求和综合国内外DAC芯片辐照效应监测方法的基础上，提出并实现一套适用于星载DAC单粒子与总剂量抗辐射性能评估测量系统，基于外围组件互连扩展(Peripheral Component Interconnection extensions for Instrumentation,PXI)总线并借助模块化仪器与虚拟仪器技术，采用开尔文四线法和均值采样算法高精度监测芯片电流与电压，软件配置矩阵开关全自动切换参数测量项，使用PXI总线同步与触发模式控制达到模块化仪器间的高速响应，并采用三次样条算法准确抽取反应单粒子敏感性的关键参数，开发抗辐照性能评估测量程序与设计应用电路夹具，实现对星载DAC抗辐照性能全面、精准、高速评估。并以自主研发的串行数模转换芯片为试验样本，在兰州重离子研究装置(Heavy Ion Research Facility of Lanzhou,HIRFL)重离子加速器、HI-13串列加速器及60Co试验平台上对DAC进行抗辐射性能评估，为后续开展DAC辐射效应研究及批次鉴定检验奠定基础。
1 系统原理与组成 1.1 辐照效应与测量系统需求DAC主要由译码电路、基准电压源、锁存器、运算放大器等模拟与数字部分组成，其抗辐射性能主要评估单粒子效应和总剂量效应。
DAC芯片在重离子照射时，固有的双极性晶体管结构形成可控硅结构，在具备触发信号、寄生三极管处于正向偏置、电流放大倍数足够、电源可提供足以维持锁定状态的电流等条件时，容易产生单粒子锁定[8]，通常表现为电流急剧增大，此外其数字逻辑也有可能发生扰动，产生逻辑翻转等误动作，导致控制偏差。在评估测量DAC芯片的单粒子效应时，要求测量系统具备实时高精度在线监测能力和器件保护能力，且满足逻辑翻转监测时所需真空试验环境的接口需求。
总剂量辐射时，DAC的功能参数（电流、电压等）、静态参数（积分非线性误差、微分非线性误差、增益误差、失调误差等）以及动态参数（无杂散动态范围、信噪比等）会发生退化，是很好的抗辐射性能评估指标。针对目前开展的不同偏置条件、不同剂量率、离线与在线监测等条件的DAC辐照效应试验，评估系统应具备表征参数量全覆盖、灵活可拓展、自动高效率化等特点。此外，考虑到测量仪器设备的辐射保护，系统应适用于长距离监测。
1.2 系统构架基于上述测量系统需求，本文设计的抗辐射性能评估测量系统的整体框图如图 1所示。该测量系统主要由PXI平台上的模块化仪器（矩阵开关PXI-2510、独立多通道四象限操作源测量单元(Source Measure Unit,SMU) PXIe-4141、高速数字I/O (High-Speed Digital I/O,HSDIO) PXIe-6545、动态信号分析仪PXIe-4492等）、评估测量软件以及DAC辐照测量模块等部分组成。其中DAC辐照测量模块按照功能划分为单粒子效应测量模块与总剂量效应测量模块，各模块包括DAC常见辐照应用电路和系统设备接口，使用Cadence Allegro对DAC辐照模块进行应用电路与设备接口设计、版图布局布线以及加工制作，实现多个待测对象(Device Under Test,DUT)与测量设备的电气连接，为软件自动选择待测对象与更改电气连接奠定基础。
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图 1 测量系统框图 Figure 1 Block diagram of measurement system. |
评估测量软件的架构为“事件+模块化程序”，其流程图如图 2所示，系统在初始化后依据评估项事件的消息驱动，执行相应的模块化程序，以矩阵开关为核心，全自动监测DAC各项电参数。在完成数据采集后的非事件响应阶段，进行数据处理与参数提取、数据软件前端显示与数据报表存储等，有效减少对CPU及硬件资源的占用。
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图 2 软件流程 Figure 2 Flow chart of software |
辐照测量时，由于DUT置于真空试验环境或长距离试验环境中，测量系统以矩阵开关为核心，实现了仪器与待测对象硬件连接的自动切换，该基于开关矩阵的自动切换辐照测量模式示意图如图 3所示。设备与开关通道前端ch[0-68]以及总线busA、busB相连，多个被测对象与开关通道后端dut[0-67]连接，通道开关的状态由软件配置确定，该结构为设备与被监测对象之间的电信号提供了多种路由方式，简化了系统结构，在无需更改硬件的条件下便可实现软件对多参数、多评估测量对象的监测。
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图 3 自动切换示意图 Figure 3 Diagram of auto switch. |
单粒子效应监测时，SMU各输出通道与待测芯片电源输入之间采用如图 4(a)所示的开尔文连接方式，SMU的4线输出分别独立经过矩阵开关，并在待测芯片电源输入引脚处交汇短接。Force Line与Sense Line之间存在缓冲器，使得前者承载输出而后者监测输出线上电流、电压，对应的软件工作方式如图 4(b)所示，程序对SMU进行初始化与用户配置，一旦SMU开启输出后则不断实时监测实际输出情况，若与预期值不一致则对SMU进行输出微调整，确保待测对象实际承受的电压为用户设定值，从而消除电缆与接触电阻对系统供电、监测的影响。数据采集时，由评估测量软件控制SMU与HSDIO提供芯片所需电源偏置与激励信号，切换开关矩阵以选定待监测芯片，SMU工作在4线模式，以50Hz的频率获取被监测芯片的工作电压、电流。一旦监测到电流超过设定阈值，源测量单元限制输出以保护器件，程序界面报警并完成一次单粒子锁定统计，定时重启上电并继续监测是否再次发生 锁定。
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图 4 开尔文接法(a)及在系统(b)中的应用 Figure 4 Kelvin connections (a) and its application in system (b). |
若监测芯片结构中含有寄存器，由评估测量软件新开一个线程进行工作，以最快100Hz的频率读、写寄存器，提供翻转动态监测（读取值与非照射芯片返回值比较）与翻转静态监测（循环读取过程中将本次读取值与前次读取值比较）两种模式，评估芯片系统功能失效率和器件本身抗单粒子翻转能力。以翻转静态监测为例，对应第i种试验粒子，在初始写入值后循环读取各个寄存器响应值，将本次响应值与前次读取的响应值逐位比较，若值不一致则判定发生翻转，翻转数Ni计数一次并统计翻转位所在的寄存器位置，同时定期随机写入新的配置值，全面评估芯片实际工作时的翻转情况。结合用户输入的粒子信息（粒子总注量fi和粒子入射角度qi），计算出单粒子事件截面si以及粒子有效线性能量传输值LETeff,i (Linear Energy Transfer,LET)算法主要依据式(1)、(2)：
| $\sigma i=\frac{Ni}{\phi i\times \text{cos}\theta i}$ | (1) |
| $\text{LETeff},i=\frac{\text{LET}i}{\text{cos}\theta i}$ | (2) |
在i种(i≥5)粒子试验且Ni不为0的情况下，评估测量软件使用三次样条算法拟合出如图 5所示si与LETeff,i的关系曲线，即在i-1个子区间内存在样条函数(f(x)=ax3+bx2+cx+d)，结合函数在区间内节点连续、边界条件等联立方程组，采用托马斯法解关于三次样条函数的“矩”的方程组的系数矩阵，得到各区间的三次样条函数，依据样条函数提取反应单粒子事件敏感性的关键参数：单粒子事件饱和截面ssat与LET阈值LETth，以便后续对空间轨道单粒子翻转率预估等研究[9-10]。
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图 5 翻转截面随线性能量传输值曲线 Figure 5 Saturated section vs. linear energy transfer. |
总剂量效应监测时，程序提供上电、上电+固定码值、上电+全码遍历三种偏置模式，长距离试验条件下实现DAC功能参数的监测，同时在各剂量阶段对DAC进行全部参数短距离条件下的测量。在采集各数字逻辑对应的模拟电压输出时，使用均值滤波算法，多采样并剔除最大与最小电压值，并对其余值取平均，分析DAC表征参数以及偏移量。部分表征参数提取程序框图如图 6所示，对于N位DAC，微分非线性误差(Differential Non Linearity,DNL)为式(4)中DNL(n)的最大值，代表实际量化台阶与对应于1 LSB (Least Significant Bit)的理想值之间的最大差异，积分非线性误差(Integral Non Linearity,INL)为DNL(n)的数学积分INL(n)的最大值[11-12]，INL(n)由式(5)给出，其中n为0-(2N-1)范围内数字码值。
| $V\text{LSB}=\frac{V\text{out(}{{\text{2}}^{N}}-\text{1)}-V\text{out(0)}}{{{\text{2}}^{N}}-\text{1}}$ | (3) |
| $\text{DNL(}n\text{)}=\frac{V\text{out(}n\text{)}-V\text{out(}n-1\text{)}-V\text{LSB}}{V\text{LSB}}$ | (4) |
| $\text{INL(}n\text{)}=\frac{V\text{out(}n\text{)}-V\text{out(}0\text{)}}{V\text{LSB}}-n$ | (5) |
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图 6 计算部分表征参数 Figure 6 Calculation of partial characterization parameters. |
程序在不同测量项时，通过更改图 3中的ch、dut、busA/busB之间的开关状态，可快速满足实际电信号连接需求。此外，在进行DAC逐码输出电压采集时，如图 7所示，高速数字I/O作为主设备，动态信号分析仪充当从设备且处于可重触发模式。主设备输出时将它的开始触发信号通过PXI总线路由到从设备，从设备在收到触发信号时进行单次采集，然后进入下一次等待触发的状态，直到所有触发结束后清除任务。该种工作方式能减少系统内响应延迟，同时保证数字信号输出与模拟电压采集的精准同步，加快单次全参数自动遍历。
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图 7 同步与触发 Figure 7 Synchronization and trigger. |
通过在PXI平台上开发抗辐照性能评估测量程序与设计应用电路夹具，搭建出系统。评估测量系统软件是在专门为测试、测量和控制应用程序开发而优化的编程环境LabVIEW下完成的[13-15]，软件用户界面如图 8所示，左侧部分为系统初始配置，包括仪器端口选定、数据存储路径设置、被监测芯片的试验配置等，右侧部分则是评估监测时的所有操作以及数据结果实时显示窗口。图 9为系统硬件，包括模块化仪器以及所设计的应用电路夹具。
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图 8 软件用户界面 Figure 8 User interface of the software. |
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图 9 系统实物图 Figure 9 Photograph of the physical system. |
电压采样精度是系统监测精确度中极重要的一项指标，使用标准源进行电压输出，设计的系统与经过计量校验的八位半数字多用表(Digital Multimeter,DM) Fluke 8508A进行电压采集，其中DM的测量分辨率为1 nV，将两者的采样数据进行比较，大量统计数据结果如表 1所示，表明系统在±10 V量程范围内系统电压采样能识别出0.1 mV的抖动，可满足绝大部分高精度DAC的监测需求。
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表 1 系统电压测量精度比较 Table 1 Comparison of the voltage measurement precision |
使用研制的系统对自主研发的星载串行数模转换芯片进行抗辐射性能评估，芯片内部结构如图 10所示。该芯片使用SPI (Serial Peripheral Interface)协议进行通信，串行接口速率高达10Mbit·s-1，实际工作时该芯片将串行同步码流解码后响应其读写控制命令，配置相应寄存器可设置12位DAC输出电压（输出范围为-2-0 V）。分别在兰州HIRFL重离子加速器、北京HI-13串列加速器平台上进行单粒子锁定与单粒子翻转试验，以及在中国计量院60Cog源试验环境下进行总剂量试验。
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图 10 芯片结构 Figure 10 Architecture of the chip. |
评估单粒子锁定时，粒子源是LET值为99.8MeV·mg-1·cm2的209Bi31+，单次粒子总数为107cm-2。粒子打击前评估测量系统对DAC芯片进行“上电+固定码值”配置，使其全部功能开启。粒子打击期间以50Hz的频率监测芯片正、负工作电流，得到如图 11所示数据，芯片正、负电流在正常值小幅度上下波动并未出现突然性大幅度增长，且未出现功能失效，可以推断出该芯片未发生单粒子锁定。
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图 11 电流随粒子打击数的变化 Figure 11 The variation of current with the amount of single heavy ion. |
进行单粒子翻转试验时，综合考虑芯片设计验证需求与有限的试验机时条件，选用如表 2所示的重离子，所用重离子均满足硅中射程大于30 mm且其LET值符合要求。对该款数模转换芯片采用翻转静态监测，从表 2中可以看出，该款芯片在各重离子源照射下单粒子翻转数较少，小于《宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南》[16]中所规定的100次，满足单粒子翻转LET阈值不小于15MeV·mg-1·cm2的设计要求。该芯片的良好抗单粒子翻转性能得益于芯片内移位寄存器的特殊加固设计：(1) 双边上电复位结构；(2) 双互锁存储单元的优化，即输入采用分离位线电路结构，输出采用三模冗余结构并对时钟信号进行冗余加固。
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表 2 单粒子翻转试验选用的重离子与结果 Table 2 Heavy ions for single event upset experiment and the result. |
总剂量辐照时DAC芯片采用“上电+全码遍历”偏置，以0.5 Gy(Si)·s-1的剂量率照射至1000Gy(Si)，在试验完成后，使用相同的条件对DAC进行室温退火试验，研制的系统在各阶段进行监测，该系统单次测量全部功能、静/动态参数的时间为8s。如图 12所示，DAC的正、负工作电流随着辐照总剂量的累积缓慢增加，照射前后正、负电流分别增大0.295 mA、0.303 mA，在室温退火时正、负电流逐步回归，最终辐照效应导致的电流损伤变化在0.2mA内，表明该芯片设计中使用环形栅结构和版图隔离技术改善总剂量效应漏电的方法是有效的。图 13显示DNL与INL辐照前后变化范围在3LSB内，将两参数在退火后与辐照前的值相比较，发现变化幅度在1 LSB内，表明芯片未发生功能失效且内部译码电路未损伤。图 14为DAC在辐照前、后以及退火后的输出曲线，可以发现辐照导致输出曲线斜率发生微小改变，该变化是由DAC内部基准电压Vref辐照损伤漂移所致。此外，系统结合监测的增益误差、失调误差、信噪比等其他参数在辐照后、退火后的变化值，与评估要求值进行逐一比较，发现该款DAC满足抗总剂量效应需求。
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图 12 电流随辐照总剂量(a)和退火时间(b)的变化 Figure 12 The variation of current with total dose (a) and annealing time (b). |
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图 13 DNL与INL随辐照总剂量(a)和退火时间(b)的变化 Figure 13 The variation of DNL and INL with total dose (a) and annealing time (b). |
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图 14 DAC输出函数 Figure 14 Transfer function of the DAC. |
此外，为进一步验证系统的有效性，分别在单粒子效应评估试验与总剂量效应评估试验中采用高辐射剂量条件，使用设计的系统对芯片进行辐照效应监测。单粒子效应高辐射剂量条件为：粒子源为209Bi31+，单次试验粒子总数为3×107 cm-2，其余试验条件保持不变，系统监测数据如图 15所示，整个试验过程中芯片负电流抖动幅度为0.25mA，正电流抖动幅度为0.14mA，未出现单粒子锁定，而单粒子翻转总计数随着粒子打击数而升高，最终结果高达452次，且系统软件出现翻转数超出设定卡标值的窗口提示；总剂量效应高辐射剂量条件为：以0.5 Gy(Si)·s-1的剂量率照射至3 000 Gy(Si)，其余试验条件保持不变，系统测量数据表明，在辐照总剂量达2 000 Gy(Si)后，芯片电参数出现显著恶化，最终辐照前后芯片正负电流分别增大0.984mA、1.232mA，DNL与INL辐照前后变化范围分别在4LSB、7LSB内，系统软件在测量参数结果与设定的标称值进行比较后，将数据与判定结果直观输出至前端用户界面并进行后台存储。
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图 15 高剂量辐照条件下电流(a)与单粒子翻转数的变化(b) Figure 15 Current (a) and single event upset numbers variation (b) on the condition of high dose radiation. |
本文在通用PXI平台上，使用模块化仪器与虚拟仪器技术，开发程序以及设计应用电路夹具，研制出了一套通用DAC抗辐射性能评估测量系统。系统采用开尔文四线法和均值采样算法实现了高精度监测芯片电流与电压，利用软件配置矩阵开关实现了参数测量项的全自动切换，使用PXI总线同步与触发模式控制达到了模块化仪器间的高速响应，并采用三次样条算法准确抽取出了反应单粒子敏感性的关键参数。使用该系统对自主研发的星载数模转换器进行抗辐射性能评估，实际应用表明，研制的系统能够正确反映出DAC的抗辐射性能，为DAC等类似功能芯片辐照研究提供了一个良好的试验平台。
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