模数转换器的辐射性能及其试验测试技术研究
2009-07-01
作者：王旭利1，2， 许献国2， 姚远
摘 要： 介绍了国内外对模数转换器（ADC）抗辐射性能试验测试技术的研究现状以及相关结论。在此基础上提出实时测量模数转换器在辐射环境下工作的动态性能参数来表征器件抗辐射性能的研究思路，同时也提出了对现有模数转换器辐射性能测试系统的改进建议。
关键词： 模数转换器; 抗辐射; 动态参数; 测试技术
模数转换器（ADC）作为模拟信号系统与数字处理系统之间的接口电路，在现代电子学领域占有越来越重要的地位。在辐射环境下工作的电子学系统中的ADC不仅需要良好的常规性能，还必须具有一定的抗辐射能力。由于模数转换器是一个具有模拟输入和数字输出的混合器件，导致了其参数测量较一般的模拟器件或数字器件难度大很多，对其抗辐射性能的研究造成了困扰。目前，市售ADC的生产工艺主要有BiCMOS、BiMOS以及LC2MOS（Linear Compatible CMOS）等，并非单一的双极型器件或CMOS器件，其辐射损伤机理也大大不同于一般的模拟器件和数字器件[1-4]，研究ADC的辐射敏感参数和这些参数的测量方法，是ADC抗辐射加固技术需要解决的关键技术。
1 ADC辐射敏感参数的选择
20世纪80年代末、90年代初，国外开始对模数转换器（ADC）展开抗辐射加固技术研究，在相关文献中，可以查阅到国外进行过的与ADC相关的抗辐射加固研究内容。其中，对ADC的研究包括了从普通的低速、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，并对这些器件在低剂量率和高剂量率辐射下的抗辐射能力进行了对比分析[5-6]。
LEE C I等人的研究表明：(1)逐次逼近型ADC的参考电压Vref，工作电流Icc、积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)等参数对电离总剂量辐射很敏感，可用来表征其抗辐射性能；(2)不同生产批次的器件抗辐射性能存在差别；(3)低剂量率下器件抗辐射能力优于高剂量率条件下。图1、图2给出了ADC经受总剂量辐射后其性能变化情况[5-6]。
我国有中科院新疆物理化学研究所以及航天五院等单位开始着手对ADC的抗辐射性能进行研究。航天五院的研究表明：ADC574A受到总剂量为300 Gy(Si)的辐照后，转换曲线发生偏移，曲线高端出现大量的错码，其微分非线性参数发生明显的改变。图3(a)、图3(b)为器件受辐射前后微分非线性变化曲线[7]。
对以上试验结果进行总结，可以得到ADC的辐射易损部位和ADC的辐射敏感参数。ADC的各个内部电路在辐射环境下受影响的情况如表1[7]所示。
对于在辐射环境下工作的ADC电路，必须实时监测在辐射环境下工作的ADC动、静态辐射敏感参数才能真正掌握模数转换器的抗辐射能力。即选择ADC的INL、DNL、信噪比（SNR）、参考电压Vref、工作电流Icc和转换曲线作为辐射性能表征参数，并对其在辐射环境下工作时进行实时测量,这是研究ADC抗辐射性能的有效方法。
2 ADC辐射效应参数动态测试方法及其改进
目前普遍采用的ADC动态测试方法有码密度直方图法、差频测试法和谱分析FFT法[8-10]。
对于测量核辐射环境下的ADC动态参数测量系统，要求必须便于携带，且必须可以远距离（≥40 m）控制、测试器件的动态性能。图4为测试系统的硬件结构[7,11]。
参考文献中的ADC辐射性能动态参数的测试需要进行FFT等数字信号处理的运算，而采用DSP控制测试系统可以轻松地完成各种复杂的数字信号处理过程，并且DSP系统广泛使用了JTAG硬件仿真，比单片机更易于硬件调试。因此可以将测试系统的硬件结构改进为图5的形式。
系统分为三大部分：测试板、监控板和PC机监控平台。其中，测试板上只有待测模数转换器一个芯片，监控板由DSP系统组成，实现对ADC的控制以及转换数据的读取等功能。测试板和监控板间通过40 m长电缆连接，试验时为确保ADC输出的数字信号能够被无失真地经40 m长电缆传输到监控板，在其数据输出端增加一级驱动，该驱动装置采用MOS工艺器件，具有较强的抗中子辐射能力，同时为确保增加的驱动装置在γ射线辐射环境下不对ADC辐射效应造成干扰，可酌情增加屏蔽装置。监控板直接连接到PC机，PC机完成对整个测试系统的控制以及相关数据处理工作。
试验时，系统首先开机自检，通过后给系统加电并送入输入信号，系统开始工作，读取转换数据并在PC机上显示，同时将转换数据存盘，以便进行后期参数分析。其工作流程如图6所示。
系统测试参数有： (1)静态工作电流Icc； (2)参考电压Vref；(3)ADC输出信噪比；(4)积分非线性INL；(5)微分非线性DNL。
利用该系统测试所得ADC输出信噪比波形和ADC转换波形及柱状图如图7和图8所示。
由于该改进的辐射性能测试系统可以实现对ADC的辐射性能进行远距离测控(≥40 m)，同时，又由于测试板端的驱动装置是MOS器件，具有良好的抗中子辐射能力，当测试系统需要工作于电离辐射环境时，可以对该驱动装置增加屏蔽装置，确保了测试系统所测得的实验数据不会被系统中其他器件的抗辐射性能干扰，可以用于测试各种辐射环境下ADC的抗辐射性能参数。
参考文献
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