摘??要： 介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）抗輻射性能試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及相關(guān)結(jié)論,。在此基礎(chǔ)上提出實(shí)時(shí)測(cè)量模數(shù)轉(zhuǎn)換器在輻射環(huán)境下工作的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)來(lái)表征器件抗輻射性能的研究思路,，同時(shí)也提出了對(duì)現(xiàn)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器輻射性能測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)建議,。
關(guān)鍵詞： 模數(shù)轉(zhuǎn)換器; 抗輻射; 動(dòng)態(tài)參數(shù); 測(cè)試技術(shù)
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模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）作為模擬信號(hào)系統(tǒng)與數(shù)字處理系統(tǒng)之間的接口電路,，在現(xiàn)代電子學(xué)領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位。在輻射環(huán)境下工作的電子學(xué)系統(tǒng)中的ADC不僅需要良好的常規(guī)性能,，還必須具有一定的抗輻射能力,。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一個(gè)具有模擬輸入和數(shù)字輸出的混合器件，導(dǎo)致了其參數(shù)測(cè)量較一般的模擬器件或數(shù)字器件難度大很多,，對(duì)其抗輻射性能的研究造成了困擾,。目前，市售ADC的生產(chǎn)工藝主要有BiCMOS,、BiMOS以及LC2MOS（Linear Compatible CMOS）等,，并非單一的雙極型器件或CMOS器件，其輻射損傷機(jī)理也大大不同于一般的模擬器件和數(shù)字器件[1-4],，研究ADC的輻射敏感參數(shù)和這些參數(shù)的測(cè)量方法,，是ADC抗輻射加固技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
1 ADC輻射敏感參數(shù)的選擇
20世紀(jì)80年代末,、90年代初,，國(guó)外開(kāi)始對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）展開(kāi)抗輻射加固技術(shù)研究，在相關(guān)文獻(xiàn)中,，可以查閱到國(guó)外進(jìn)行過(guò)的與ADC相關(guān)的抗輻射加固研究?jī)?nèi)容,。其中，對(duì)ADC的研究包括了從普通的低速,、低精度到高速,、高分辨率的12位、14位和16位ADC,，如：Maxim 的MX7672,、MX674A，Analog Devices 的AD7872和Crystal Semiconductor 的CS5061等,，并對(duì)這些器件在低劑量率和高劑量率輻射下的抗輻射能力進(jìn)行了對(duì)比分析[5-6],。
LEE C I等人的研究表明：(1)逐次逼近型ADC的參考電壓Vref，工作電流Icc,、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)等參數(shù)對(duì)電離總劑量輻射很敏感,，可用來(lái)表征其抗輻射性能；(2)不同生產(chǎn)批次的器件抗輻射性能存在差別,；(3)低劑量率下器件抗輻射能力優(yōu)于高劑量率條件下,。圖1、圖2給出了ADC經(jīng)受總劑量輻射后其性能變化情況[5-6],。
我國(guó)有中科院新疆物理化學(xué)研究所以及航天五院等單位開(kāi)始著手對(duì)ADC的抗輻射性能進(jìn)行研究,。航天五院的研究表明：ADC574A受到總劑量為300 Gy(Si)的輻照后，轉(zhuǎn)換曲線發(fā)生偏移,，曲線高端出現(xiàn)大量的錯(cuò)碼,，其微分非線性參數(shù)發(fā)生明顯的改變,。圖3(a)、圖3(b)為器件受輻射前后微分非線性變化曲線[7],。
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對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié),，可以得到ADC的輻射易損部位和ADC的輻射敏感參數(shù)。ADC的各個(gè)內(nèi)部電路在輻射環(huán)境下受影響的情況如表1[7]所示,。
對(duì)于在輻射環(huán)境下工作的ADC電路,，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在輻射環(huán)境下工作的ADC動(dòng)、靜態(tài)輻射敏感參數(shù)才能真正掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換器的抗輻射能力,。即選擇ADC的INL,、DNL、信噪比（SNR）,、參考電壓Vref,、工作電流Icc和轉(zhuǎn)換曲線作為輻射性能表征參數(shù)，并對(duì)其在輻射環(huán)境下工作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,這是研究ADC抗輻射性能的有效方法,。
2 ADC輻射效應(yīng)參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)試方法及其改進(jìn)
目前普遍采用的ADC動(dòng)態(tài)測(cè)試方法有碼密度直方圖法,、差頻測(cè)試法和譜分析FFT法[8-10]。
對(duì)于測(cè)量核輻射環(huán)境下的ADC動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng),，要求必須便于攜帶,，且必須可以遠(yuǎn)距離（≥40 m）控制、測(cè)試器件的動(dòng)態(tài)性能,。圖4為測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)[7,11],。
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參考文獻(xiàn)中的ADC輻射性能動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試需要進(jìn)行FFT等數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算，而采用DSP控制測(cè)試系統(tǒng)可以輕松地完成各種復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程,，并且DSP系統(tǒng)廣泛使用了JTAG硬件仿真,，比單片機(jī)更易于硬件調(diào)試。因此可以將測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)改進(jìn)為圖5的形式,。
系統(tǒng)分為三大部分：測(cè)試板,、監(jiān)控板和PC機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。其中,，測(cè)試板上只有待測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器一個(gè)芯片,，監(jiān)控板由DSP系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的控制以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取等功能,。測(cè)試板和監(jiān)控板間通過(guò)40 m長(zhǎng)電纜連接,，試驗(yàn)時(shí)為確保ADC輸出的數(shù)字信號(hào)能夠被無(wú)失真地經(jīng)40 m長(zhǎng)電纜傳輸?shù)奖O(jiān)控板，在其數(shù)據(jù)輸出端增加一級(jí)驅(qū)動(dòng),，該驅(qū)動(dòng)裝置采用MOS工藝器件,，具有較強(qiáng)的抗中子輻射能力，同時(shí)為確保增加的驅(qū)動(dòng)裝置在γ射線輻射環(huán)境下不對(duì)ADC輻射效應(yīng)造成干擾，可酌情增加屏蔽裝置,。監(jiān)控板直接連接到PC機(jī),，PC機(jī)完成對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理工作。
試驗(yàn)時(shí),，系統(tǒng)首先開(kāi)機(jī)自檢，通過(guò)后給系統(tǒng)加電并送入輸入信號(hào),，系統(tǒng)開(kāi)始工作,，讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并在PC機(jī)上顯示，同時(shí)將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存盤,，以便進(jìn)行后期參數(shù)分析,。其工作流程如圖6所示。
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系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)有： (1)靜態(tài)工作電流Icc,； (2)參考電壓Vref,；(3)ADC輸出信噪比；(4)積分非線性INL,；(5)微分非線性DNL,。
利用該系統(tǒng)測(cè)試所得ADC輸出信噪比波形和ADC轉(zhuǎn)換波形及柱狀圖如圖7和圖8所示。
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由于該改進(jìn)的輻射性能測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的輻射性能進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)控(≥40 m),，同時(shí),，又由于測(cè)試板端的驅(qū)動(dòng)裝置是MOS器件，具有良好的抗中子輻射能力,，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)需要工作于電離輻射環(huán)境時(shí),，可以對(duì)該驅(qū)動(dòng)裝置增加屏蔽裝置，確保了測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不會(huì)被系統(tǒng)中其他器件的抗輻射性能干擾,，可以用于測(cè)試各種輻射環(huán)境下ADC的抗輻射性能參數(shù),。
參考文獻(xiàn)
[1] ?宋泰倫. 模擬集成電路的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].微電子學(xué)，1995,，25(2)：1-4.
[2] ?朱小鋒,，周開(kāi)明，徐曦.劑量率對(duì)MOS器件總劑量輻射性能的影響[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),，2005,25(3):322-325.
[3] ?許獻(xiàn)國(guó),，胡健棟，徐曦.一種抑制輻射閉鎖的新方法[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),，2006,26(4):446-449.
[4] ?徐天容.80C196單片機(jī)中子和γ綜合電離輻射效應(yīng)研究[D].北京：中國(guó)工程物理研究院北京研究生部,，2005.
[5] ?LEE C I， RAX B G, JOHNSTON A H. Hardness assurance and testing techniques for high resolution（12 to?16 bit）analog to digital converters[C].IEEE Transactions?on Nuclear Science,1995,42（6）:1681-1688.
[6] ?LEE C I,， RAX B G,， JOHNSTON A H. Total ionizing?dose effect on high resolution（12 to 14 bit ）analog to?digital converters[C].IEEE Transactions on Nuclear Science,1994,41(6):2459-2466.
[7] ?李貴山，趙又新,劉保錄，等.12位A/D轉(zhuǎn)換器總劑量輻?射效應(yīng)的測(cè)試技術(shù)[J]. 核技術(shù),2000,，23(10):721-725.
[8] ?薛亮,，沈延釗，張向民. 一種A/D靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004,25(21):72-74.
[9] ?羅業(yè)平.? A/D轉(zhuǎn)換芯片測(cè)試方法及應(yīng)用[J].?信息與電子工程, 2005,3(2):123-125,136.
[10]?BOSSCHE M V, SCHOUKENS J, RENNEBOOG ?J. Dynamic testing and diagnostic of A/D converters[J]. IEEE Trans on Circuits and System,?1986,33(8):775-785.
[11]? TURFLINGER T L, DAVEY M V. Transient?radiation test techniques for high speed analog to digital?converters?[J]. IEEE Trans on Nucl. Sci., 1989,36(6):2356-2361.
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