直接數(shù)字式頻率合成器輻射效應(yīng)敏感性分析

盧向軍，王曉晗，羅宏偉，王小強(qiáng)，費(fèi)武雄，孫宇，呂宏峰，劉焱

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

直接數(shù)字式頻率合成器 （DDS：Direct Digital Synthesizer）采用從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的合成原理，預(yù)先將波形各相位與幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系儲(chǔ)存在高速存儲(chǔ)器中，形成一種固化的波形表。理論上可以儲(chǔ)存任意形狀的波形，常見的波形為正弦波、三角波等。工作時(shí)利用高速存儲(chǔ)器作查尋表，然后通過集成高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器輸出已經(jīng)用數(shù)字形式存入的波形。DDS器件具有相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，輸出相位連續(xù)，可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)，以及其他多種調(diào)制信號(hào)，可編程和全數(shù)字化，控制靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，并具有極高的性價(jià)比，已在接收機(jī)本征、信號(hào)發(fā)生器、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)航天電子系統(tǒng)全數(shù)字化的關(guān)鍵器件[1-2]。但是，空間環(huán)境中的高能粒子輻射效應(yīng)，包括總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)，會(huì)使DDS器件性能退化甚至功能失效，嚴(yán)重影響航天器的可靠性和在軌壽命。因此，開展 DDS器件的空間輻射效應(yīng)分析對(duì)于航天電子學(xué)的發(fā)展有重要意義。

DDS主要由3個(gè)部分構(gòu)成，包括：時(shí)鐘產(chǎn)生單元鎖相環(huán) （PLL）、相位累加，以及相位幅度轉(zhuǎn)換器、DAC輸出，其基本構(gòu)成如圖 1所示。下面將從DDS器件的結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)DDS器件的空間輻射效應(yīng)敏感性進(jìn)行詳細(xì)的分析。

圖1 DDS基本原理框圖

1 DDS器件的總劑量效應(yīng)敏感性分析

1.1 PLL總劑量敏感性分析

DDS器件中的PLL包括低通濾波器、電荷泵、壓控振蕩器、除法器和鑒相器。除法器和鑒相器屬于數(shù)字電路，其亞閾值漏電會(huì)隨輻照劑量的增加而增大，但只有在很高的劑量水平下才可能發(fā)生存儲(chǔ)單元或寄存器的翻轉(zhuǎn)。在總劑量環(huán)境下，PLL中的低通濾波器、壓控振蕩器及電荷泵電路更容易受到總劑量效應(yīng)的損傷，產(chǎn)生性能的退化。對(duì)于壓控振蕩器，總劑量效應(yīng)會(huì)造成輸入電壓與輸出頻率的不匹配，從而造成PLL輸出時(shí)鐘的抖動(dòng)，甚至失鎖。電荷泵受總劑量效應(yīng)的影響可能使得其輸出電流變小。因此，總劑量效應(yīng)對(duì)PLL的性能參數(shù)的主要影響是導(dǎo)致其鎖定時(shí)間變長(zhǎng)、輸出時(shí)鐘抖動(dòng)增大、工作范圍變窄。當(dāng)PLL放入DDS時(shí)，由于在DDS工作狀態(tài)確定的情況下，其輸入頻率一般不變，故鎖定時(shí)間的變化對(duì)用戶的影響并不明顯，而時(shí)鐘的抖動(dòng)則會(huì)明顯地增加輸出信號(hào)的無雜散動(dòng)態(tài)噪聲。這是由于在DDS工作原理中，輸出雜散=20 Log（時(shí)鐘雜散能量/分頻比）。PLL的組成模塊總劑量效應(yīng)模式如表1所示。

表1 PLL的總劑量效應(yīng)失效模式

1.2 相位累加器及相位幅度轉(zhuǎn)換器總劑量敏感性分析

相位累加器及相位幅度轉(zhuǎn)換器是純CMOS數(shù)字電路，由庫單元綜合生成。對(duì)于純CMOS數(shù)字電路，其電離輻射損傷根本在于γ總劑量輻照將會(huì)引起閾值電壓向負(fù)方向漂移和功耗電流的增加。閾值電壓的漂移，以及漏電流的增加都將會(huì)引起CMOS電路發(fā)生失效。國(guó)內(nèi)外的研究表明，CMOS電路的總劑量失效模式主要有：邏輯功能失效、輸入輸出高低電平的變化、靜態(tài)功耗增大和延遲時(shí)間增加等 4種[3-4]。

1.3 DAC總劑量敏感性分析

由于DAC中每位的電流由電流鏡MOS管的比例大小決定。在深亞微米工藝中，總劑量輻射后漏電主要由場(chǎng)氧區(qū)造成，該電流并不隨MOS管的尺寸大小而線性變化，所以總劑量輻射后，DAC每位電流不會(huì)再精確地保持1：2：4：8…的關(guān)系。該現(xiàn)象在頻譜上將造成SFDR性能的大幅降低。（窄帶SFDR=6.02 dB×實(shí)際的有效位寬 +1.76 dB）。因此，總劑量效應(yīng)導(dǎo)致的閾值電壓漂移和亞閾值漏電增大會(huì)造成DAC電路的工作點(diǎn)發(fā)生漂移使得基準(zhǔn)電壓或電流發(fā)生變化，進(jìn)而影響到DAC的線性度以及SFDR等指標(biāo)。

綜上所述，DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)部偏置電壓/電流、DAC的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)參數(shù)等受總劑量效應(yīng)的影響較大，這些影響又可歸結(jié)為對(duì)DDS輸出的無雜散動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生干擾，而各部分電路亞閾值漏電的增加可以通過測(cè)量全芯片關(guān)斷功耗的變化來衡量，所以輻照前后DDS輸出的無雜散動(dòng)態(tài)范圍及關(guān)斷功耗是總劑量相對(duì)較為敏感的參數(shù)。

2 DDS單粒子效應(yīng)敏感性分析

2.1 PLL單粒子敏感性分析

DDS器件中PLL模塊的單粒子效應(yīng)相對(duì)比較復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)表明，PLL模擬電路的單粒子瞬時(shí)干擾 （SET）與數(shù)字電路的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）會(huì)同時(shí)存在[5-6]。特別是在電流型電荷泵電路中，SET導(dǎo)致的相位偏差比PLL中其他電路模塊的高出至少兩個(gè)量級(jí)。PLL的單粒子效應(yīng)從現(xiàn)象上可以分為兩類：1）造成輸出長(zhǎng)時(shí)間與期望值不同的，如除法器造成的頻率改變；2）短時(shí)間內(nèi)的頻率波動(dòng)，如SET及鑒相器的SEU。前者由于是長(zhǎng)時(shí)間的，對(duì)效應(yīng)測(cè)試的速度及實(shí)時(shí)性效應(yīng)不高；而后者可能只在輸出信號(hào)上產(chǎn)生少量的毛刺，故對(duì)效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求極高，增加了DDS器件的效應(yīng)難度。PLL各單元電路結(jié)構(gòu)的單粒子效應(yīng)失效機(jī)理及失效模式如表2所示。

表2 PLL的單粒子效應(yīng)失效模式

1.2 相位累加器及相位幅度轉(zhuǎn)換器單粒子敏感性分析

在輻照情況下相位累加器及相位幅度轉(zhuǎn)換器是整個(gè)DDS中SEU的主要產(chǎn)生源。由于SEU主要產(chǎn)生于寄存器或存儲(chǔ)單元中，它的翻轉(zhuǎn)截面與電路中存儲(chǔ)單元的數(shù)目成正比關(guān)系。SEU也可分為兩類：1）導(dǎo)致長(zhǎng)期失效的；2）短期失效的。假若在頻率控制寄存器、相位寄存器、幅度控制寄存器中的值產(chǎn)生了SEU，就可能導(dǎo)致外部輸出波形頻率、相位或幅值發(fā)生變化，而且這種變化發(fā)生后，不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，導(dǎo)致長(zhǎng)期失效。短期失效主要產(chǎn)生于一些每個(gè)時(shí)鐘周期值都會(huì)發(fā)生變化的寄存器當(dāng)中，這種短期失效與SET效應(yīng)現(xiàn)象類似，從測(cè)試上難以鑒別。

1.3 DAC單粒子敏感性分析

對(duì)于低速DAC器件，其SEU效應(yīng)對(duì)器件的功能影響較為嚴(yán)重；而對(duì)于高速DAC器件，SET效應(yīng)會(huì)很突出。SEU主要產(chǎn)生在器件的數(shù)字電路部分，SET則主要產(chǎn)生于DAC的模擬電路部分。產(chǎn)生在數(shù)字電路部分的SEU根據(jù)產(chǎn)生位置的不同，又可能導(dǎo)致兩種失效現(xiàn)象：1)導(dǎo)致持續(xù)的轉(zhuǎn)換失效，這主要是由于SEU產(chǎn)生于器件的主要控制寄存器中，這種失效在有時(shí)又被稱之為單粒子功能中斷；2）SEU產(chǎn)生于DAC中的輸入數(shù)字緩沖器等寄存器，這種寄存器的狀態(tài)在DAC的每個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)都會(huì)更新一次，因此，只會(huì)在輸出上造成一個(gè)較大的電壓波動(dòng)。

DDS內(nèi)部模塊眾多，不同的模塊受到單粒子效應(yīng)的影響敏感性也不同，但由于其輸出為一組固定參數(shù)的正弦波形，所以單粒子對(duì)其影響總體上都表現(xiàn)為對(duì)輸出波形的影響。因此，DDS器件的單粒子效應(yīng)測(cè)試主要是測(cè)量DAC輸出信號(hào)與期望值的差異。這種差異主要有兩種表現(xiàn)方式：1）持續(xù)型；2）瞬時(shí)的。單純依靠對(duì)DAC輸出信號(hào)的監(jiān)測(cè)，很難根據(jù)失效現(xiàn)象確定效應(yīng)的產(chǎn)生位置及其原因，必須與其他的測(cè)試方法結(jié)合，如對(duì)器件電源電流的監(jiān)測(cè)、對(duì)內(nèi)部寄存器及存儲(chǔ)器的回讀、對(duì)PLL輸出系統(tǒng)時(shí)鐘的監(jiān)測(cè)等。

綜合分析，單粒子效應(yīng)對(duì)DDS輸出波形的影響存在4種類型 （如圖2所示），分別為頻率改變、相位改變、幅度改變，以及造成輸出信號(hào)而出現(xiàn)毛刺，進(jìn)而影響器件在系統(tǒng)中的功能。所以，在理想情況下對(duì)DDS器件單粒子效應(yīng)的在線測(cè)試要滿足頻率、相位和幅度，以及輸出波形抖動(dòng)的測(cè)試，盡量覆蓋全信息。

圖2 單粒子效應(yīng)對(duì)DDS輸出波形的影響

3 結(jié)束語

DDS器件是實(shí)現(xiàn)航天電子系統(tǒng)全數(shù)字化的關(guān)鍵器件。從DDS器件的結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)DDS器件的鎖相環(huán)、相位累加及相位幅度轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)敏感性分析。分析認(rèn)為，無雜散動(dòng)態(tài)范圍和關(guān)斷功耗是總劑量相對(duì)較為敏感的參數(shù)；單粒子效應(yīng)對(duì)DDS輸出波形的影響為頻率改變、相位改變和幅度改變，以及輸出信號(hào)出現(xiàn)毛刺，進(jìn)而影響器件在系統(tǒng)中的功能。

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