典型電子系統(tǒng)總劑量效應(yīng)行為級仿真

馬武英， 何寶平， 劉林月， 郭紅霞， 歐陽曉平

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049； 2.強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室(西北核技術(shù)研究所)，陜西 西安 710024)

航天電子系統(tǒng)中的電子器件不可避免地要遭受空間輻射環(huán)境中粒子輻射的影響，從而造成電子器件性能退變、甚至導(dǎo)致功能失效，嚴(yán)重威脅航天電子系統(tǒng)的可靠性[1-2]。仿真建模手段的應(yīng)用，對輻射環(huán)境中電子器件/系統(tǒng)輻射效應(yīng)、損傷機理和加固技術(shù)研究均有事半功倍的效果。學(xué)者對電子器件總劑量效應(yīng)仿真技術(shù)研究較為關(guān)注，已有大量關(guān)于電子器件總劑量效應(yīng)仿真技術(shù)研究的報道[3-5]。利用TCAD (technology computer aided design)從晶體管級開展總劑量效應(yīng)仿真建模，表征氧化層中輻射感生產(chǎn)物對器件性能的影響機制；基于模擬電路仿真系統(tǒng)(simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE)的電路級總劑量效應(yīng)仿真，在獲取晶體管級輻射效應(yīng)模型的基礎(chǔ)上，研究器件/電路層級的輻射響應(yīng)規(guī)律，對于簡單數(shù)字或模擬器件，基于SPICE總劑量效應(yīng)仿真建模能獲得較好的效應(yīng)規(guī)律和潛在的損傷機制。但隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大以及典型的電子系統(tǒng)、及混合信號器件中常包含有模擬電路和數(shù)字電路，系統(tǒng)中各元器件輻射效應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，基于SPICE從晶體管級出發(fā)進(jìn)行總劑量效應(yīng)仿真，要花費大量人力和時間，且需反復(fù)執(zhí)行仿真才能獲得器件參數(shù)退化與總劑量關(guān)系[6-8]。因此，為了滿足輻射環(huán)境中電路/系統(tǒng)抗輻射性能預(yù)估和系統(tǒng)抗輻射加固設(shè)計需求，急需一種新的仿真手段解決系統(tǒng)總劑量效應(yīng)仿真面臨問題?；跀?shù)字/模擬混合硬件描述語言(VHSIC(very high speed integrated circuits) hardware description language-analog mixed signal, VHDL-AMS)的行為級建模在電子系統(tǒng)總劑量效應(yīng)仿真研究方面具有較好的應(yīng)用前景，主要表現(xiàn)在以下幾方面：端口可包含電學(xué)特性，具有較好的仿真精度；更高級別的抽象模型，模型的建立過程可不依賴于器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)；對于復(fù)雜器件/系統(tǒng)，可大大的縮短仿真所需時間。

本文梳理了系統(tǒng)級總劑量效應(yīng)行為級仿真建模的基本思路，以典型電子器件載體，從不同維度建立其總劑量效應(yīng)行為級仿真模型，并利用典型電子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和試驗驗證。相關(guān)研究成果對于核輻射環(huán)境中電子系統(tǒng)抗輻射加固設(shè)計和損傷預(yù)估具有重要參考意義。

1 典型器件總劑量模型建立

器件總劑量效應(yīng)響應(yīng)與其在系統(tǒng)中所處的偏置狀態(tài)及遭受輻射時的劑量率有關(guān)，同時不同類型器件的又會呈現(xiàn)出不同的輻射效應(yīng)規(guī)律。此外，電子系統(tǒng)自身復(fù)雜性又會給系統(tǒng)輻射效應(yīng)建模增加了難度。采用“逐層次、分模塊”方式是解決系統(tǒng)輻射效應(yīng)建模的關(guān)鍵?！爸饘哟巍敝傅氖窍到y(tǒng)中各器件輻射效應(yīng)參數(shù)獲取過程可通過逐層次方式，從晶體管級效應(yīng)模型-子電路模型-器件效應(yīng)模型的方式。而“分模塊”指的是在輻射效應(yīng)建模時可根據(jù)系統(tǒng)功能架構(gòu)進(jìn)行劃分，如數(shù)字電路模塊、模擬電路和混合信號模塊等，可按照各模塊在電路中的功能作用，分模塊建立各自仿真模型，一般遵循數(shù)字電路采用VHDL語言描述，無源器件或抗輻射性能較高的模擬電路采用SPICE模型，混合型號電路或者抗輻射性能較弱的模擬電路采用VHDL-AMS語言建立其總劑量效應(yīng)模型?；赩HDL-AMS語言的行為級輻射效應(yīng)建模的具體思路如圖1所示。

系統(tǒng)中電子器件總劑量效應(yīng)行為級仿真模型的建立有多種手段，可基于試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型提取，將效應(yīng)規(guī)律植入到器件行為級模型；可采用逐層次方式，從晶體管總劑量效應(yīng)模型搭建器件SPICE模型來獲取，還可通過“分模塊”方式來建立，下面以典型模擬和混合型號器件為主要載體給出輻射效應(yīng)建?；玖鞒?。

圖1 行為級仿真建模流程Fig.1 Process of behavior level simulation

1.1 基于實驗數(shù)據(jù)的總劑量效應(yīng)建模

對于典型模擬器件-運算放大器的總劑量效應(yīng)行為級仿真模型，本文采用基于試驗數(shù)據(jù)方式進(jìn)行建模。首先，利用VHDL-AMS語言建立運算放大器的宏模型，其主要分3級，一般由輸入級、中間級、輸出級3個環(huán)節(jié)組成，宏模型等效電路如圖2所示。

圖2 運算放大器等效VHDL-AMS模型Fig.2 equivalent behavior model for operational amplifier

輸入電組和失調(diào)電壓源共同組成了輸入級，輸出級由電阻網(wǎng)路進(jìn)行分壓輸出，實現(xiàn)不同驅(qū)動能力功能。運算放大器的頻率響應(yīng)特性主要決定于中間的級電阻、電容。通過壓擺率(slew rate, SR)可獲得中間級電容Cm與最大電流供電imax的關(guān)系表達(dá)式[6]：

(1)

增益帶寬積(gain band width，GBW)定義為開環(huán)增益與該增益的測試點頻率的乘積，則可推出開環(huán)極點頻率fp為：

(2)

式中Avol表示開環(huán)增益。同時可知中間級電阻Rm和極點頻率、中間級電容的關(guān)系為：

(3)

運算放大器總劑量效應(yīng)行為級仿真模型基于實驗數(shù)據(jù)建立，在提取輻射敏感參數(shù)隨總劑量變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過在宏模型中增加相應(yīng)的理想電阻和電壓源來實現(xiàn)對輻照后敏感參數(shù)退化規(guī)律的模擬。典型雙極運算放大器在總劑量輻照后，偏置電流、失調(diào)電壓以及輸出級驅(qū)動電流是輻照敏感參數(shù)。因此，行為級總劑量效應(yīng)模型必須包含這些參數(shù)的退化規(guī)律，例如對于敏感參數(shù)偏置電流，建模時可基于實驗數(shù)據(jù)擬合出累積總劑量與偏置電流的函數(shù)關(guān)系，從而獲得行為級模型中輸入電阻與總劑量之間函數(shù)關(guān)系，將該函數(shù)關(guān)系代入到運放放大器的行為級模型即可獲得偏置電流總劑量效應(yīng)行為級仿真模型。圖3給出了典型雙極運算放大器uA741偏置電流(input bias current，IB)隨總劑量變化規(guī)律，輻照劑量率為0.5 Gy(Si)/s。采用線性擬合即可獲得IB的變化率與總劑量關(guān)系：

同理，也可以獲得輻射敏感參數(shù)失調(diào)電壓、輸出級驅(qū)動能力等敏感參數(shù)和總劑量的函數(shù)關(guān)系，通過修改模型中相應(yīng)的輸入級電壓源或輸出級電路電阻值，即可獲得運算放大器在不同總劑量下的輻射效應(yīng)模型。

圖3 運算放大器偏置電流隨總劑量變化規(guī)律Fig.3 The IB of operational amplifier as a function of total ionizing dose

1.2 基于逐層級方法的總劑量效應(yīng)建模

電壓比較器的總劑量效應(yīng)具有明顯的偏置相關(guān)性，其行為級仿真模型不同于運算放大器，涉及到連續(xù)模擬量的判斷和離散量的輸出。因此，在模型內(nèi)部引入了時鐘觸發(fā)判斷的過程，實時監(jiān)測比對正負(fù)輸入端模擬量的值。由于比較器的輻射效應(yīng)規(guī)律與偏置條件具有很強的依賴性，在其總劑量效應(yīng)模型中，對比較器的失調(diào)電壓與累積總劑量、偏置條件的關(guān)系進(jìn)行行為級描述，將比較器的2個輸入電壓值(Vn/Vp)進(jìn)行矩陣式量化，從而實現(xiàn)比較器在不同偏置條件、不同總劑量下的輻射響應(yīng)特性的建模。比較器在不同偏置條件下的輻射效應(yīng)規(guī)律通過HSPICE建模仿真獲得[9-12]。對于MOS工藝晶體管，在HSPICE建模過程中，引入輻射感生產(chǎn)物對閾值電壓的影響，而輻射感生產(chǎn)物的形成受電場、總劑量和劑量率等因素的影響。電離輻射過程中，輻射產(chǎn)生的空穴在向Si/SiO2界面輸運, 被氧化層內(nèi)的空穴陷阱俘獲, 形成輻射誘導(dǎo)氧化層陷阱電荷[12]，該過程可描述為：

式中：Not是俘獲的空穴密度，cm-2；NT是空穴陷阱密度，cm-2；σp是空穴的俘獲截面，cm-2；fp為空穴通量；τ代表俘獲空穴的消失常數(shù)。假設(shè)氧化物陷阱電荷沒有達(dá)到飽和、沒有發(fā)生退火、NT空穴陷阱密度遠(yuǎn)大于Not俘獲的空穴密度的情況下，可推導(dǎo)出：

(4)

(5)

式中：σit是Si-H鍵對質(zhì)子的俘獲截面；fH是通過界面的質(zhì)子流；NSiH和Nit是Si-H鍵密度和界面態(tài)密度；τPb是界面陷阱電荷的退火時間。假定在Si/SiO2界面處H+沒有與來自Si襯底的電子中和，而是直接與Si-H 鍵反應(yīng)?？赏频匠鼋缑嫦葳搴脱趸瘜与妶?、輻照時間及輻照劑量率的關(guān)系：

(6)

因此，MOS器件在輻照后閾值電壓的漂移是輻射誘導(dǎo)氧化層陷阱電荷和界面態(tài)共同作用的結(jié)果，其可用下式表示：

將上式植入SPICE模型中即可獲得輻照后晶體管閾值電壓參數(shù)退化與電場、劑量率及時間的關(guān)系建模，利用該晶體模型很容易獲得器件級的總劑量效應(yīng)損傷規(guī)律。

1.3 基于分模塊方法的混合信號器件建模

在混合信號器件建模時，本文采用基于內(nèi)部架構(gòu)的分層次、模塊建模方法。以8位串并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器為載體[13]，在建模過程中采取分模塊建模，隨后將各模塊按內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行組合，各輻射敏感模塊包含相應(yīng)輻射效應(yīng)信息，從而獲得8位串并型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輻射效應(yīng)模型。在該模數(shù)轉(zhuǎn)化器建立過程中，由于比較器失調(diào)電壓的變化對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度變化起決定性作用，因此，模型中是輻射敏感模塊，其余譯碼電路和模擬選通網(wǎng)絡(luò)等其受輻射影響為非線性變化，建模過程中對其功能進(jìn)行描述。電阻網(wǎng)絡(luò)和比較器網(wǎng)絡(luò)按照結(jié)構(gòu)組建，各個連接節(jié)點電壓電流通過基爾霍夫定量和歐姆定律求解，比較器總劑量模型采用上部分1.2節(jié)建立的輻射模型。8位串并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輻射響應(yīng)將隨著其內(nèi)部各個模塊的輻射響應(yīng)而發(fā)生變化，同時8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏置條件將決定內(nèi)部各個模塊的輻射響應(yīng)。

為了研究不同偏置條件下模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輻射響應(yīng)，進(jìn)一步驗證仿真模型的準(zhǔn)確性，給建立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模型提供4種不同的輻射偏置條件，分別輸入為幅值5 V的正弦波信號、輸入為0.01 V恒定電壓、輸入為4.95 V恒定電壓值和所有管腳短接接地的零偏偏置條件，并進(jìn)行性能測試。輻照劑量率為0.1 Gy(Si)/s，采用斜波進(jìn)行功能測試，仿真結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出，對于建立的8位串并行Flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)值仿真，工作偏置下的損傷均強于零偏偏置，且在固定輸入狀態(tài)下的輻射損傷，略強于動態(tài)偏置條件下。

圖4 不同偏置條件下模數(shù)轉(zhuǎn)換器斜波測試結(jié)果Fig.4 The ramp wave test results of AD converter under different bias

為了進(jìn)一步驗證仿真結(jié)果，本文選取TLC公司生產(chǎn)的8位串并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0820為試驗載體，在西北核技術(shù)研究所60Co γ射線源進(jìn)行輻照，樣品的輻照和測試過程中均在器件Read模式下進(jìn)行，輻照過程中采取4種不同輻照偏置條件，分別為幅值5 V的正弦波信號、輸入為0 V恒定電壓、輸入為4.95 V恒定電壓值和所有管腳短接接地的零偏偏置條件。輻照劑量率：0.1 Gy(Si)/s。在累積總劑量為200 Gy(Si)時器件，對器件的輻射效應(yīng)規(guī)律進(jìn)行離線測試，在不同偏置條件下出現(xiàn)不同的輻射響應(yīng)。具體表現(xiàn)為：在輸入5V 恒定電壓值的偏置條件下，當(dāng)累積總劑量為200 Gy(Si)時，器件輻照后功能測試曲線如圖5所示，圖中可以看出，在輸出低碼值時低4位輸出變?yōu)椤?000”，并且隨著輸出碼值的增大，模數(shù)轉(zhuǎn)換器低4位輸出恢復(fù)正常；在輸入為0V的偏置條件下輻照時，總劑量輻照后模數(shù)轉(zhuǎn)換器的低4位出現(xiàn)明顯失碼，其輸出變成“1111”；在輸入幅值為5V、頻率為1 kHz的正弦波偏置條件下輻照時，總劑量輻照后模數(shù)轉(zhuǎn)換器的在較低碼值輸出的條件下出現(xiàn)低位失碼，輸出變?yōu)椤?000”，并且隨著輸出碼值的增大，失碼消失；零偏偏置條件下，器件未發(fā)生明顯的輻射損傷。

圖5 不同偏置條件下模數(shù)轉(zhuǎn)換器斜波測試結(jié)果Fig.5 The simulation results of AD converter under different bias

對比仿真(圖4)和試驗結(jié)果(圖5)，可以看出通過分模塊方法能實現(xiàn)混合信號器件總劑量效應(yīng)模型的建立，且構(gòu)建的仿真模型具有較好的仿真精度，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)估器件在不同偏置條件下的輻射損傷規(guī)律。同時，通過仿真分析可知，串-并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部低位比較器在輻照過程中所處的偏置狀態(tài)的差異是造成不同偏置條件下輻射損傷不同的主要因素，也是輻射敏感部位，在抗輻射加固設(shè)計過程中需要著重考慮。

2 系統(tǒng)總劑量效應(yīng)實驗及行為級仿真建模

電子系統(tǒng)包含多種類型電子器件，而器件的輻射效應(yīng)規(guī)律又決定于器件類型、器件工藝、偏置條件和輻射環(huán)境等多種因素。因此，根據(jù)系統(tǒng)電子元器件的輻射效應(yīng)規(guī)律對系統(tǒng)進(jìn)行合理劃分是其輻射效應(yīng)建模的關(guān)鍵，例如總劑量輻照不敏感的電阻、電容和電感等無源器件，仿真過程中采用常規(guī)電路模型；對于抗總劑量性能較強的先進(jìn)納米集成電路(尺寸為28～130 nm)，在仿真過程中采用VHDL語言描述其功能；對輻射敏感的模擬器件、數(shù)?；旌闲盘栯娐罚捎谜撐牡?部分介紹的方法進(jìn)行建模。為了進(jìn)一步驗證基于VHDL-AMS的行為級仿真方法對系統(tǒng)總劑量效應(yīng)建模的可行性，采用可插拔方式設(shè)計了一款典型的信號處理電子系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示，其中包含了模擬信號采集，數(shù)字信號處理和模擬信號輸出等功能。利用60Coγ射線對系統(tǒng)開展總劑量效應(yīng)輻照試驗，劑量率0.1 Gy(Si)/s，輻照后系統(tǒng)輸出如圖7(a)所示。

圖6 典型電子系統(tǒng)框圖Fig.6 Diagram of a typical electronic system

利用器件的行為級仿真模型搭建系統(tǒng)輻射效應(yīng)仿真模型，系統(tǒng)總劑量效應(yīng)仿真過程中，由于電路中數(shù)字部分器件(FPGA和存儲器)具有較高的抗總劑量能力，采用VHDL語言對其實現(xiàn)功能進(jìn)行描述，其余器件包括線性穩(wěn)壓器、運算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器采等用行為級總劑量模型，系統(tǒng)中電阻、電容均采用SPICE模型，全系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7(b)所示，仿真與試驗結(jié)果能夠較好的吻合。經(jīng)仿真分析可知，運算放大器為系統(tǒng)輻射敏感位置，運算放大器輸出驅(qū)動能力降低是系統(tǒng)失效的主要因素。

圖7 系統(tǒng)試驗結(jié)果和仿真結(jié)果的對比Fig.7 Comparison of system irradiation test results and simulation

3 結(jié)論

1)利用行為級仿真建模方法，從不同維度出發(fā)建立了典型的模擬及數(shù)?；旌想娮悠骷倓┝啃?yīng)模型，且可實現(xiàn)偏置條件、劑量率等因素對輻射效應(yīng)影響規(guī)律的仿真。

2)基于VHDL-AMS的行為級仿真建模，實現(xiàn)了典型電子系統(tǒng)的總劑量效應(yīng)仿真，有效簡化了系統(tǒng)總劑量效應(yīng)建模難度，具有很好的應(yīng)用價值，相關(guān)研究工作對空間電子系統(tǒng)的抗輻射加固設(shè)計和抗輻射性能預(yù)估提供技術(shù)支持。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確、快速實現(xiàn)空間復(fù)雜電子系統(tǒng)的輻射效應(yīng)仿真，后續(xù)研究中可結(jié)合機器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計學(xué)理論等手段，在充分挖掘已有電子器件數(shù)據(jù)規(guī)律基礎(chǔ)上實現(xiàn)空間電子系統(tǒng)的總劑量效應(yīng)仿真與評估。