抗辐射精密SAR ADC的单事件效应性能

拥有正确的技术将卫星送入环绕地球的轨道、向遥远的行星发送探测器以及在火星等行星表面着陆漫游车是很重要的。在任何这些任务开始之前，在地球上已经完成了大量工作，以使设计能够适应太空和其他星球上的恶劣环境。鉴定的一个方面是单事件效应 (SEE) 测试，用于确定设备对他们在太空中可能看到的离子撞击的响应。重要的是要知道设备不会出现导致灾难性损坏的单事件烧毁 (SEB) 或单事件闩锁 (SEL)。了解设备是否有任何单事件功能中断 (SEFI) 或表现出任何持久的单事件扰乱或瞬变 (SEU 或 SET) 也很重要。

必须了解精密 SAR ADC 的 SEE 响应，因为它们在测量各种类型的信号（例如温度、位置和电池电压）以及许多其他类型的测量中具有准确性。这些测量必须在恶劣的太空环境中保持其精度。从温度传感器读取并由精密 SAR ADC 转换的温度对于了解电子模块的工作温度以补偿设备性能非常重要。从传感器读取并由精密 SAR ADC 转换的位置对于确定正确的轨道对齐或确保新太空舱可以与国际空间站 (ISS) 正确对接非常重要。了解为卫星上的电子系统供电的电池的电池电压至关重要，以便系统可以在电压过高或过低时做出相应的响应。这些只是精密 SAR ADC 的一些可能使用案例，但它们都是太空任务的重要测量。这些测量必须准确且必须精确，否则可能会产生负面影响。

在本文中，我们探讨了与精密 SAR ADC 相关的各种辐射效应。测试用于空间应用的精密 SAR ADC 包括监测 ADC 电源电流的任何 SEB/SEL 行为，以及监测输出数据是否存在任何可能发生的 SEFI、SEU 或 SET 事件的迹象。这是在一系列能级上执行的，以生成预测曲线，该曲线可与轨道信息或任务剖面信息一起使用，以确定可能发生的这些类型的 SEE 事件的预期数量和幅度。在讨论这些影响后，我们将了解抗辐射（rad-hard）精密 SAR ADC 如何为各种类型的空间应用（例如绕地球轨道运行的卫星）提供稳健可靠的解决方案。

一般来说，确认设备在太空中遇到重离子撞击时能够正常运行的第一步是验证设备不会因 SEB/SEL 事件而造成任何损坏。由于精密 ADC 用于不同类型的关键功能和测量，因此在许多空间应用中，重要的第一步是确保 ADC 不会因 SEB/SEL 事件而遭受损坏，尤其是灾难性损坏。显然，灾难性损害很容易被发现。在这种情况下，ADC 的电源域会显着增加电源电流，甚至可能看起来该域几乎对地短路，并吸收正常预期电流的许多倍。然而，并非所有 SEB/SEL 故障都是灾难性的。一般来说，确定是否发生 SEB/SEL 事件的标准是监视电源电流的变化是否大于标称工作电流的 ±10%。图 1 显示了在 SEB/SEL 测试运行期间对一组示例的四个精密 ADC 的电流测量。在这里，可以看出没有观察到电流变化大于标称工作电流的 ±10% 的事件。需要测试四个设备才能确定结果。对于所示的精密 ADC，6.3 V 是在没有观察到 SEB/SEL 事件的情况下测试的最高输入电压。这使精密 ADC 有资格在没有任何 SEB/SEL 事件的情况下支持 6.3 V。执行这些测试时，器件被加热到其最大规定结温。部分目的是将设备置于最坏情况下的操作条件下，

图 1：SEB/SEL 测试运行监控电源电流——四个被测器件（来源：瑞萨电子）

每个电源域都必须以类似的方式进行测试，以使设备符合额定电压，而不会出现 SEB/SEL 事件。对于典型的精密 SAR ADC，将有一个模拟电源 (AVCC)、一个数字电源 (DVCC) 和一个参考电压电源 (VREF)。在某些情况下，模拟输入可被视为电源输入，还应监控 SEB/SEL 事件。ADC 不显示 SEB/SEL 事件很重要；否则，它会使该设备在太空应用中的使用变得更加困难。可以采用缓解技术为 ADC 提供一些保护，但这样做成本高且不可取。一旦发现 ADC 在 SEB/SEL 测试期间运行良好且没有不利影响，下一步就是观察 SEFI、SEU 和 SET 事件的设备行为。

为了观察 SEFI、SEU 和 SET 事件，采用允许检测和记录此类事件的可靠测试方法非常重要。一种这样的方法是在其正常操作模式下操作精密 SAR ADC，其中输入信号处于 ADC 的中间电平。这种方法将 ADC 置于其工作范围的中间，允许在正向和负向两个方向观察 SET 事件。观察 ADC 输出的代码是否超出基于中档模拟​​输入的预期值附近的定义阈值。任何违反此阈值的输出代码都会与记录代码时的时间戳一起记录。该阈值是通过在没有任何重离子辐射的情况下收集 ADC 上的数据来确定的，以确定 ADC 的固有噪声。

例如，要找到这个可观察到的 SET 阈值，第一步是在 14 位分辨率的设备上设置 ±2-4 个代码的检测窗口。目标是逐渐增加此窗口，直到可以观察到 ADC 输出 5-10 分钟，并且没有超过阈值的输出代码。此步骤执行的时间越长，阈值的置信度就越高。显然，时间很重要，因此在分配用于观察 ADC 输出代码的时间中必须有一些判断。通常，5-10 分钟比在德克萨斯 A&M 大学回旋加速器研究所等设施进行的典型重离子测试要长得多。在获得正确的通量和总通量的情况下，典型的运行持续 2-3 分钟或更短。设置阈值的总体目标是确信任何超过阈值的输出代码来自重离子撞击，而不是 ADC 的固有噪声。任何违反阈值的事件都会被记录为 SET 事件。

图 2：SET 检测阈值窗口（来源：瑞萨电子）

出于本文的目的，SEU 事件将被视为影响 ADC 输出代码的设备配置寄存器中的翻转事件。通过观察 ADC 输出代码是否违反阈值，可以通过器件输出代码的变化来观察给定 ADC 的内部配置寄存器中的异常。如果 SEU 事件发生并且不会导致 ADC 输出代码的扰乱，则可以认为该事件不会对系统产生影响。在这种情况下，如果观察到预期的 ADC 输出代码，则没有可观察到的事件，因此不会中断系统。除了检测 SET 和 SEU 事件外，此方法还可用于识别任何可能发生的 SEFI 事件。

SEFI 事件将被视为 ADC 输出以这种方式中断的事件，这种方式会导致部件在没有用户干预的情况下无法使用。这可能是 ADC 输出丢失或 ADC 输出代码锁存到特定代码（例如满量程、零量程或预期中间量程代码之外的某个其他值）的事件。该事件必须发生并且 ADC 必须保持在特定的错误状态，直到用户干预使 ADC 恢复正常操作。与 SEU 和 SET 事件不同，其中 ADC 输出自行恢复正常运行，SEFI 事件对系统运行的危害更大。必须检测到 SEFI 事件，并且用户必须实施使 ADC 恢复正常运行的对策。在最坏的情况下，SEFI 事件将需要 ADC 重新上电以清除错误状态。显然，这对于用户来说是非常不希望的。再一次，此处描述的测试方法将检测任何此类 SEFI 事件。每当 ADC 输出代码超过定义的阈值时，ADC 输出代码都会与时间戳一起记录。时间戳是确定 SEFI 事件的关键。如果观察到一系列违反阈值的连续代码并继续无止境，则检测并记录 SEFI 事件。通常，用于检测和记录输出代码的算法会对存储的代码数量有所限制。当达到此限制并且执行的后续测量显示 ADC 输出仍处于相同状态时，则观察到 SEFI 事件。在那时候，可以采用各种措施使 ADC 恢复正常运行。可以使用诸如发出设备复位（如果存在）之类的措施。最好采用除设备电源周期外的所有潜在方法来查看是否可以清除 SEFI 事件。如果没有找到方法，则可以执行电源循环。通常，这应该清除 SEFI 事件并使 ADC 恢复正常运行。如果 ADC 没有恢复正常运行，则该设备很可能不适合太空应用。这应该清除 SEFI 事件并使 ADC 恢复正常运行。如果 ADC 没有恢复正常运行，则该设备很可能不适合太空应用。这应该清除 SEFI 事件并使 ADC 恢复正常运行。如果 ADC 没有恢复正常运行，则该设备很可能不适合太空应用。

使用重离子执行 SEE 测试的主要目标之一是生成 Weibull 拟合曲线，以允许在给定设备上执行预测分析。这个想法是在重离子测试期间观察到的 SET 事件并生成一条曲线来显示 SET 横截面。这是针对下面图 3 中的示例 ADC 给出的。

图 3：记录的 SET 事件的 Weibull 拟合曲线（来源：瑞萨电子）

通常，希望具有尽可能高的起始值和尽可能低的饱和点。起始值是以 MeV•cm 2为单位的 LET/mg 观察到 SET 事件。显然，这个值越高，就越不担心低能量粒子引起 SET 事件。通过适当的屏蔽，可以减少观察到的整体 SET 事件。饱和水平是 SET 事件的数量不随 LET 的增加而增加的地方。期望具有较低的饱和水平，因为这表明对于较高能量的粒子，SET事件的数量不会增加。因为我们在地球上可用的测试设施无法产生在太空中观察到的能级，所以这是威布尔曲线的一个重要部分，需要理解。饱和度较低时，这表明在太空中可以预期的 SET 事件不应比在重离子 SEE 测试期间观察到的高很多。当来自 Weibull 拟合曲线的数据被输入 CREME96 模型以推断给定轨道中的预期设备响应时，确定了所有这些信息和扰乱概率。现在让我们看一个用于太空应用的设备示例。

Renesas 的 ISL73141SEH 抗辐射精密 SAR ADC 是适合辐射丰富的空间环境的 ADC 示例之一。本文所述的测试方法适用于该设备。图 1 中的电源电流数据和图 3 中的 Weibull 拟合曲线来自 ISL73141SEH 的数据。对于此设备，SET 事件的检测阈值设置为±8 个代码的非常低的值。即使值如此之低，统计上也很少观察到 SET 事件。就 SET 事件的数量与观察到的样本数量而言，总共 > 99% 的观察到的样本没有 SET 事件。高达 86 MeV•cm 2的最高测试 LET/mg，持续单个样本的 SET 事件的百分比平均大于所有观察到的 SET 事件的 94%。在剩余的 6% 中，SET 事件持续时间不超过三个连续样本。此外，大多数 SET 事件与预期值相差不到 100 个 ADC 代码。这一切都意味着，如果 SET 事件发生，它们的持续时间非常短且幅度非常小，这反过来又意味着它们对系统级的影响非常小。在 SEE 测试期间没有观察到 SEFI 事件，并且 ISL73141 的额定电压高达 AVCC = 6.3 V，没有 SEB/SEL 事件，这大大高于 5.5 V 的最大工作电源电压。

在为空间应用选择精密 SAR ADC 时，明智地选择非常重要。SEE 性能必须适合具有挑战性的太空环境。ADC 还应该不受 SEB/SEL 事件的影响，只要电源电压高于其工作范围，SEU/SET 速率应该尽可能低，理想情况下，应该没有 SEFI 事件。

　　审核编辑：汤梓红