空间辐射效应对SRAM型FPGA的影响

以Xilinx的FPGA为例，结合相关试验数据，分析了空间总剂量效应、单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子功能中断、单粒子烧毁、单粒子瞬态脉冲和位移损伤等辐射效应对SRAMFPGA器件的漏极电流、阚值电压、逻辑功能等影响。分析了辐射效应的机理以及FPGA的失效模式。文章可以为SRAM型FPGA在航天领域中的应用提供参考。     

高速A/D转换器单粒子效应实时评估系统和方法研究

提出了一种在线实时检测评估高速A/D转换器(ADC)的单粒子效应的测试方法。基于该方法搭建了部分模块可复用的单粒子效应测试评估系统。系统由时钟生成模块、待测ADC模块、D/A转换器(DAC)转换输出模块、FPGA控制模块与上位机模块构成。对待测ADC模块进行重构,可完成对不同ADC器件的测试评估,提升了模块可复用性和测试效率。该系统通过监测电源引脚的电流变化、ADC内部寄存器值翻转情况、经过高速DAC转换输出的模拟波形,可实时测试评估ADC器件的单粒子锁定(SEL)、单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET)、单粒子功能中断(SEFI)等效应。基于该系统对自主研发的具有JESD204B接口的12位2.6 GS/s高速ADC进行了单粒子效应试验。试验分析表明,该系统能准确高效评估高速ADC器件的单粒子效应。     

COTS器件的空间辐射效应与对策分析

空间辐射环境是影响COTS(Commercial-off-the-shelf)器件的主要空间环境要素之一。通过分析空间辐射环境的主要来源,研究了空间辐射环境诱发的辐射效应,主要包括单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应等,提出了针对关键COTS器件的抗辐照的防护措施。     

CMOS有源像素图像传感器的辐照损伤效应

互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素(APS)图像传感器作为光电成像系统的核心器件,被广泛应用在空间辐射或核辐射环境中,辐照损伤是导致其性能退化,甚至功能失效的主要原因之一。阐述了不同辐射粒子或射线辐照损伤诱发CMOS APS图像传感器产生位移效应、总剂量效应和单粒子效应的损伤物理机制。综述和分析了辐照损伤诱发CMOS APS图像传感器暗信号增大、量子效率减小、饱和输出电压减小、噪声增大以及暗信号尖峰和随机电码信号(RTS)产生的实验规律和损伤机理。归纳并提出了CMOS APS图像传感器辐照损伤效应研究亟待解决的问题。     

功率VDMOS器件的SEB致SEGR效应研究

功率VDMOS器件是航天器电源系统配套的核心元器件之一,在重粒子辐射下会发生单粒子烧毁(SEB)和单粒子栅穿(SEGR)效应,严重影响航天器的在轨安全运行。本文在深入分析其单粒子损伤机制及微观过程的基础上,发现了功率VDMOS器件在重粒子辐射下存在SEBIGR效应,并在TCAD软件和¹⁸¹Ta粒子辐射试验中进行了验证。引起该效应的物理机制是,重粒子触发寄生三极管,产生瞬时大电流,使得硅晶格温度升高,高温引起栅介质层本征击穿电压降低,继而触发SEGR效应。SEBIGR效应的发现为深入分析功率MOSFET器件的单粒子辐射效应奠定了理论基础。     

直接数字式频率合成器辐射效应敏感性分析

从直接数字式频率合成器(DDS)的结构出发,对DDS器件的时钟产生单元、相位累加与相位幅度转换器和数模转换器进行了总剂量效应、单粒子效应的敏感性分析。分析认为:辐照前后DDS输出的无杂散动态范围,以及关断功耗是总剂量相对较为敏感的参数;单粒子效应对DDS输出波形的影响为频率改变、相位改变和幅度改变,以及造成输出信号出现毛刺现象,进而影响器件在系统中的功能。     

基于锁相放大器的光纤电流互感器研究

为了测试光纤电流互感器中由于Faraday效应引起的旋转量,提出了采用锁相放大器处理信号的方法,改进了传统的将交流成分与直流成分相除的方法。系统将采集信号做单端电压输入测试和差分电压输入测试,并比较了单端输入与差分输入的测试效果,定性分析了输出幅值与被测电流的关系。测试结果表明,锁相放大器输出幅值与被测电流具有线l陛关系,且差分输入较单端输入幅值大、线性度好、对外界干扰抑制性强。其成果为进一步研究基于旋光效应的光纤电流互感器的应用奠定了基础。     

集成电路的通用单粒子效应测试系统设计

为满足种类繁多、功能复杂集成电路的单粒子效应评估需求,克服目前国内地面单粒子辐照实验环境机时紧张、物理空间有限等方面的限制,设计实现了一款高效通用的集成电路单粒子效应测试系统。创新性地采用旋转立体垂直结构,包含一个多现场可编程门阵列(FPGA)电测试平台、运动控制分系统和被测器件装载板。便携式箱体结构仅需3个DB9接口即可完成所有与外界连线;基于LabVIEW实现上位机交互界面,界面友好;基于多FPGA平台实现下位机测试程序,灵活可扩展,通用性强。可实现8种300及以下管脚集成电路的一次安装、自动切换和10°~90°的角度辐射。实时监控并后台记录翻转数据、翻转时间、电路状态等细节信息,测试频率可达100 MHz。已通过专用集成电路(ASIC)、静态随机存取存储器(SRAM)、控制器局域网络(CAN)接口电路等集成电路的多次实测,验证了该系统的可靠性及其高效稳定、集成度高、安装调试方便等特点。     

基于锎源的N沟道VDMOS器件单粒子效应研究

分析了N沟道VDMOS器件的单粒子辐射损伤机理和损伤模式,讨论了VDMOS器件的单粒子辐射加固措施。使用锎源,对采取了加固措施的一款200V高压N沟道VDMOS器件进行单粒子效应试验研究。对比分析了不同漏源电压和栅源电压以及不同真空度对VDMOS单粒子效应的影响,可为VDMOS器件的单粒子辐射加固、试验验证及应用提供参考。     

基于锎源的N沟道VDMOS器件单粒子效应研究

分析了N沟道VDMOS器件的单粒子辐射损伤机理和损伤模式,讨论了VDMOS器件的单粒子辐射加固措施。使用锎源,对采取了加固措施的一款200 V高压N沟道VDMOS器件进行单粒子效应试验研究。对比分析了不同漏源电压和栅源电压以及不同真空度对VDMOS单粒子效应的影响,可为VDMOS器件的单粒子辐射加固、试验验证及应用提供参考。     

利用简单电路提高传统PFC控制器性能

典型的两级离线PFC PFC离线功率转换器系统通常设计为两级级联型.第一级为一个升压转换器,这是因为该拓扑结构拥有连续输入电流(通过使用乘法器可实现电流波形控制)以及可实现近似单位功率因数的平均电流模式控制.但是,升压转换器需要一个比输入电压更高的输出电压,和另外一个将输出电压降压至可用电压等级的转换器(见图1).     

面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法

随着新型电子器件越来越多地被机载航电设备所采用,单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)故障已经成为影响航空飞行安全的重大隐患。首先,针对由于单粒子翻转故障的随机性,该文对不同时刻发生的单粒子翻转故障引入了多时钟控制,构建了SEU故障注入测试系统。然后模拟真实情况下单粒子效应引发的多时间点故障,研究了单粒子效应对基于FPGA构成的时序电路的影响,并在线统计了被测模块的失效数据和失效率。实验结果表明,对于基于FPGA构建容错电路,采用多时钟沿三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR) 加固技术可比传统TMR技术提高约1.86倍的抗SEU性能;该多时钟SEU故障注入测试系统可以快速、准确、低成本地实现单粒子翻转故障测试,从而验证了SEU加固技术的有效性。     

超大规模FPGA的单粒子效应脉冲激光测试方法

建立了一种28 nm HPL硅工艺超大规模SRAM型FPGA的单粒子效应测试方法。采用静态测试与动态测试相结合的方式,通过ps级脉冲激光模拟辐照实验,对超大规模FPGA进行单粒子效应测试。对实验所用FPGA的各敏感单元(包括块随机读取存储器、可配置逻辑单元、可配置存储器)的单粒子闩锁效应和单粒子翻转极性进行了研究。实验结果证明了测试方法的有效性,揭示了多种单粒子闩锁效应的电流变化模式,得出了各单元的单粒子效应敏感性区别。针对块随机读取存储器、可配置逻辑单元中单粒子效应翻转极性的差异问题,从电路结构方面进行了机理分析。     

国产中高压抗辐照功率MOSFET单粒子效应

功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)空间使用时易遭受重离子轰击产生单粒子效应(单粒子烧毁和单粒子栅穿)。本文对国产新型中、高压(额定电压250 V,500 V)抗辐照功率MOSFET的单粒子辐射效应进行了研究,并采取了有针对性的加固措施,使器件的抗单粒子能力显著提升。结果表明：对250 V KW2型功率MOSFET器件进行Bi粒子辐照,在栅压等于0 V时,安全工作的漏极电压达到250 V;对500 V KW5型功率MOSFET器件进行Xe粒子辐照,在栅压等于0 V时,安全工作的漏极电压达到400 V,并且当栅压为-15 V时,安全工作的漏极电压也达到400 V,说明国产中、高压功率MOSFET器件有较好的抗单粒子能力。     

DSP处理器单粒子翻转率测试系统的研制

航天器及其内部元器件在太空中会受到单粒子效应(SEE)带来的威胁,因此航天用电子器件在装备前必须进行抗SEE能力的测试评估。针对传统测试方法存在的测试系统程序容易在辐照过程崩溃、统计翻转数不准确、单粒子闩锁(SEL)辨别不清晰和忽略内核翻转统计等问题,设计了一种测试系统,通过片外加载与运行程序从而减少因辐照导致片内程序异常的现象;通过片外主控电路统计被测电路翻转数使统计翻转结果准确;通过主控电路控制被测电路时钟供给排除因频率增加导致电流过大而误判发生SEL的情况;通过内核指令集统计内核翻转数。实验结果表明,该测试系统可以实时全面地监测数字信号处理器(DSP)的SEE,并有效防止辐照实验器件(DUT)因SEL而失效。     

IGBT芯片静态输出曲线连续测量方法

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片的静态输出曲线是考核其能量损耗及指导多芯片并联设计的重要指标之一。现有测量IGBT静态输出曲线的方法多采用商用化的功率器件分析仪,然而商业化功率器件分析仪存在价格昂贵、夹具单一的问题。亟需开发一种简单、快速、有效的静态输出曲线测量方法。面向高压IGBT芯片,提出一种新的静态输出曲线连续测量方法及测试电路,有效减小了IGBT芯片的电导调制效应和温升效应对静态输出曲线的影响。通过实时测量动态过程中的电压及电流,可以快速得到IGBT芯片静态输出曲线。通过对比本文连续法与功率器件分析仪的测量结果,证明了所提方法的有效性。     

CNTFET器件及电路辐射效应研究进展

简述了碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)中作为沟道材料的碳纳米管的基本辐射效应原理及其在抗辐射领域的优势,总结了近年来CNTFET在辐射效应机理和加固领域的研究进展。介绍了不同辐射条件在碳纳米管材料和不同结构的CNTFET中诱发的位移损伤效应机理,重点介绍了电介质是影响器件总剂量效应的主要因素,辐射环境也是影响器件辐照后性能变化的重要因素,并针对这两点总结了加固方法及器件和电路的设计,对国内外研究中不同结构的电路的抗辐射能力进行评述。最后介绍了器件受单粒子效应影响的机理,对比了碳基晶体管器件和硅基晶体管器件的抗辐射能力,并展望了CNTFET及其电路的未来太空应用发展。     

TPS61322集成式升压DC-DC电源变换器的总剂量效应研究

对低功率、升压型集成式DC-DC电源变换器的电离总剂量辐射损伤效应进行了研究。探讨了变换器在不同负载、不同输入电压条件下输出电压随总剂量的变化关系;揭示了升压型器件在高剂量率条件下输出电压瞬间损伤退化机理;分析了器件在关机模式（Shutdown mode）条件下关机电流变化规律。详细研究了负载电流对输出电压的影响,实验结果表明,相同辐照剂量,输出电压的退化程度随负载电流的增加而增大,满载条件下,输出电压退化最严重。关机电流在关机模式条件下出现显著退化,可以作为评估器件抗辐射性能的敏感参数。此外,发现Boost器件满载条件下高剂量率损伤效应,高剂量率条件下的输出电压瞬间损伤退化显著大于低剂量率下的输出电压退化。研究剂量率辐射效应对分析和评估应用于核电站环境下的DC-DC电源变换器辐射损伤具有重要意义。     

DSOI总剂量效应模型及背偏调控模型

总剂量辐射效应会导致绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(DSOI MOSFET)器件的阈值电压漂移、泄漏电流增大等退化特性。由于背栅端口的存在,SOI器件存在新的总剂量效应加固途径,对于全耗尽SOI器件,利用正背栅耦合效应,可通过施加背栅偏置电压补偿辐照导致的器件参数退化。本文研究了总剂量辐照对双埋氧层绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(DSOI MOSFET)总剂量损伤规律及背栅偏置调控规律,分析了辐射导致晶体管电参数退化机理,建立了DSOI晶体管总剂量效应模拟电路仿真器(SPICE)模型。模型仿真晶体管阈值电压与实测结果≤6 mV,同时根据总剂量效应模型给出了相应的背栅偏置补偿模型,通过晶体管背偏调控总剂量效应SPICE模型仿真输出的补偿电压与试验测试结果对比,N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)的背偏调控模型误差为9.65%,P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)为5.24%,该模型可以准确反映DSOI器件辐照前后阈值特性变化,为器件的背栅加固提供参考依据。     

SRAM型FPGA器件总剂量辐射损伤效应的研究

本文通过对辐照及辐照后退火时不同剂量率条件下FPGA器件的静态功耗电流进行在线实时测量,探讨了静态功耗电流随累积剂量及退火时间的变化关系,分析了辐照后常温(25℃)及高温(80℃)退火时,器件静态功耗电流迅速减小的原因。同时,移位测量了不同剂量率条件下输出波形的峰峰值、延迟时间等功能参数,讨论了峰峰值、延迟时间随累积剂量的变化关系。