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(cè)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(kāi)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(cè)試，用于確定設(shè)備對(duì)他們?cè)谔罩锌赡芸吹降碾x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(cè)跍y(cè)量各種類型的信號(hào)（例如溫度、位置和電池電壓）以及許多其他類型的測(cè)量中具有準(zhǔn)確性。這些測(cè)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(duì)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(duì)于確定正確的軌道對(duì)齊或確保新太空艙可以與國(guó)際空間站 (ISS) 正確對(duì)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(guò)高或過(guò)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(cè)量。這些測(cè)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(cè)試用于空間應(yīng)用的精密 SAR ADC 包括監(jiān)測(cè) ADC 電源電流的任何 SEB/SEL 行為，以及監(jiān)測(cè)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(jí)上執(zhí)行的，以生成預(yù)測(cè)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(lái)說(shuō)，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(cè)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(lái)該域幾乎對(duì)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(lái)說(shuō)，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(cè)試運(yùn)行期間對(duì)一組示例的四個(gè)精密 ADC 的電流測(cè)量。在這里，可以看出沒(méi)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(cè)試四個(gè)設(shè)備才能確定結(jié)果。對(duì)于所示的精密 ADC，6.3 V 是在沒(méi)有觀察到 SEB/SEL 事件的情況下測(cè)試的最高輸入電壓。這使精密 ADC 有資格在沒(méi)有任何 SEB/SEL 事件的情況下支持 6.3 V。執(zhí)行這些測(cè)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(cè)試運(yùn)行監(jiān)控電源電流——四個(gè)被測(cè)器件（來(lái)源：瑞薩電子）

每個(gè)電源域都必須以類似的方式進(jìn)行測(cè)試，以使設(shè)備符合額定電壓，而不會(huì)出現(xiàn) SEB/SEL 事件。對(duì)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。可以采用緩解技術(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(cè)試期間運(yùn)行良好且沒(méi)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(cè)和記錄此類事件的可靠測(cè)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(hào)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(guò)在沒(méi)有任何重離子輻射的情況下收集 ADC 上的數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)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(méi)有超過(guò)閾值的輸出代碼。此步驟執(zhí)行的時(shí)間越長(zhǎng)，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(cè)試要長(zhǎng)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(guò)閾值的輸出代碼來(lái)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(cè)閾值窗口（來(lái)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(guò)觀察 ADC 輸出代碼是否違反閾值，可以通過(guò)器件輸出代碼的變化來(lái)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(duì)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(méi)有可觀察到的事件，因此不會(huì)中斷系統(tǒng)。除了檢測(cè) SET 和 SEU 事件外，此方法還可用于識(shí)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(méi)有用戶干預(yù)的情況下無(wú)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的危害更大。必須檢測(cè)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(duì)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(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是非常不希望的。再一次，此處描述的測(cè)試方法將檢測(cè)任何此類 SEFI 事件。每當(dāng) ADC 輸出代碼超過(guò)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(wú)止境，則檢測(cè)并記錄 SEFI 事件。通常，用于檢測(cè)和記錄輸出代碼的算法會(huì)對(duì)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(cè)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?？梢允褂弥T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(lái)查看是否可以清除 SEFI 事件。如果沒(méi)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(méi)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(méi)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(méi)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(cè)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(cè)分析。這個(gè)想法是在重離子測(cè)試期間觀察到的 SET 事件并生成一條曲線來(lái)顯示 SET 橫截面。這是針對(duì)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(lái)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(guò)適當(dāng)?shù)钠帘?，可以減少觀察到的整體 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(duì)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(cè)诘厍蛏峡捎玫臏y(cè)試設(shè)施無(wú)法產(chǎn)生在太空中觀察到的能級(jí)，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(cè)試期間觀察到的高很多。當(dāng)來(lái)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(cè)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(lái)自 ISL73141SEH 的數(shù)據(jù)。對(duì)于此設(shè)備，SET 事件的檢測(cè)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(méi)有 SET 事件。高達(dá) 86 MeV?cm 2的最高測(cè)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(guò)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(guò)來(lái)又意味著它們對(duì)系統(tǒng)級(jí)的影響非常小。在 SEE 測(cè)試期間沒(méi)有觀察到 SEFI 事件，并且 ISL73141 的額定電壓高達(dá) AVCC = 6.3 V，沒(méi)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(méi)有 SEFI 事件。

　　審核編輯：湯梓紅