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(pán)，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)。
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