摘??要： 介紹了國內(nèi)外對模數(shù)轉換器（ADC）抗輻射性能試驗測試技術的研究現(xiàn)狀以及相關結論。在此基礎上提出實時測量模數(shù)轉換器在輻射環(huán)境下工作的動態(tài)性能參數(shù)來表征器件抗輻射性能的研究思路，同時也提出了對現(xiàn)有模數(shù)轉換器輻射性能測試系統(tǒng)的改進建議。
關鍵詞： 模數(shù)轉換器; 抗輻射; 動態(tài)參數(shù); 測試技術
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模數(shù)轉換器（ADC）作為模擬信號系統(tǒng)與數(shù)字處理系統(tǒng)之間的接口電路，在現(xiàn)代電子學領域占有越來越重要的地位。在輻射環(huán)境下工作的電子學系統(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)轉換器是一個具有模擬輸入和數(shù)字輸出的混合器件，導致了其參數(shù)測量較一般的模擬器件或數(shù)字器件難度大很多，對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)的測量方法，是ADC抗輻射加固技術需要解決的關鍵技術。
1 ADC輻射敏感參數(shù)的選擇
20世紀80年代末、90年代初，國外開始對模數(shù)轉換器（ADC）展開抗輻射加固技術研究，在相關文獻中，可以查閱到國外進行過的與ADC相關的抗輻射加固研究內(nèi)容。其中，對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，并對這些器件在低劑量率和高劑量率輻射下的抗輻射能力進行了對比分析[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)對電離總劑量輻射很敏感，可用來表征其抗輻射性能；(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]。
我國有中科院新疆物理化學研究所以及航天五院等單位開始著手對ADC的抗輻射性能進行研究。航天五院的研究表明：ADC574A受到總劑量為300 Gy(Si)的輻照后，轉換曲線發(fā)生偏移，曲線高端出現(xiàn)大量的錯碼，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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對以上試驗結果進行總結，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。
對于在輻射環(huán)境下工作的ADC電路，必須實時監(jiān)測在輻射環(huán)境下工作的ADC動、靜態(tài)輻射敏感參數(shù)才能真正掌握模數(shù)轉換器的抗輻射能力。即選擇ADC的INL、DNL、信噪比（SNR）、參考電壓Vref、工作電流Icc和轉換曲線作為輻射性能表征參數(shù)，并對其在輻射環(huán)境下工作時進行實時測量,這是研究ADC抗輻射性能的有效方法。
2 ADC輻射效應參數(shù)動態(tài)測試方法及其改進
目前普遍采用的ADC動態(tài)測試方法有碼密度直方圖法、差頻測試法和譜分析FFT法[8-10]。
對于測量核輻射環(huán)境下的ADC動態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，要求必須便于攜帶，且必須可以遠距離（≥40 m）控制、測試器件的動態(tài)性能。圖4為測試系統(tǒng)的硬件結構[7,11]。
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參考文獻中的ADC輻射性能動態(tài)參數(shù)的測試需要進行FFT等數(shù)字信號處理的運算，而采用DSP控制測試系統(tǒng)可以輕松地完成各種復雜的數(shù)字信號處理過程，并且DSP系統(tǒng)廣泛使用了JTAG硬件仿真，比單片機更易于硬件調(diào)試。因此可以將測試系統(tǒng)的硬件結構改進為圖5的形式。
系統(tǒng)分為三大部分：測試板、監(jiān)控板和PC機監(jiān)控平臺。其中，測試板上只有待測模數(shù)轉換器一個芯片，監(jiān)控板由DSP系統(tǒng)組成，實現(xiàn)對ADC的控制以及轉換數(shù)據(jù)的讀取等功能。測試板和監(jiān)控板間通過40 m長電纜連接，試驗時為確保ADC輸出的數(shù)字信號能夠被無失真地經(jīng)40 m長電纜傳輸?shù)奖O(jiān)控板，在其數(shù)據(jù)輸出端增加一級驅(qū)動，該驅(qū)動裝置采用MOS工藝器件，具有較強的抗中子輻射能力，同時為確保增加的驅(qū)動裝置在γ射線輻射環(huán)境下不對ADC輻射效應造成干擾，可酌情增加屏蔽裝置。監(jiān)控板直接連接到PC機，PC機完成對整個測試系統(tǒng)的控制以及相關數(shù)據(jù)處理工作。
試驗時，系統(tǒng)首先開機自檢，通過后給系統(tǒng)加電并送入輸入信號，系統(tǒng)開始工作，讀取轉換數(shù)據(jù)并在PC機上顯示，同時將轉換數(shù)據(jù)存盤，以便進行后期參數(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)測試所得ADC輸出信噪比波形和ADC轉換波形及柱狀圖如圖7和圖8所示。
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由于該改進的輻射性能測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)對ADC的輻射性能進行遠距離測控(≥40 m)，同時，又由于測試板端的驅(qū)動裝置是MOS器件，具有良好的抗中子輻射能力，當測試系統(tǒng)需要工作于電離輻射環(huán)境時，可以對該驅(qū)動裝置增加屏蔽裝置，確保了測試系統(tǒng)所測得的實驗數(shù)據(jù)不會被系統(tǒng)中其他器件的抗輻射性能干擾，可以用于測試各種輻射環(huán)境下ADC的抗輻射性能參數(shù)。
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