擁有正確的技術將衛星送入環繞地球的軌道、向遙遠的行星發送探測器以及在火星等行星表面著陸漫游車是很重要的。在任何這些任務開始之前，在地球上已經完成了大量工作，以使設計能夠適應太空和其他星球上的惡劣環境。鑒定的一個方面是單事件效應 (SEE) 測試，用于確定設備對他們在太空中可能看到的離子撞擊的響應。重要的是要知道設備不會出現導致災難性損壞的單事件燒毀 (SEB) 或單事件閂鎖 (SEL)。了解設備是否有任何單事件功能中斷 (SEFI) 或表現出任何持久的單事件擾亂或瞬變 (SEU 或 SET) 也很重要。

必須了解精密 SAR ADC 的 SEE 響應，因為它們在測量各種類型的信號（例如溫度、位置和電池電壓）以及許多其他類型的測量中具有準確性。這些測量必須在惡劣的太空環境中保持其精度。從溫度傳感器讀取并由精密 SAR ADC 轉換的溫度對于了解電子模塊的工作溫度以補償設備性能非常重要。從傳感器讀取并由精密 SAR ADC 轉換的位置對于確定正確的軌道對齊或確保新太空艙可以與國際空間站 (ISS) 正確對接非常重要。了解為衛星上的電子系統供電的電池的電池電壓至關重要，以便系統可以在電壓過高或過低時做出相應的響應。這些只是精密 SAR ADC 的一些可能使用案例，但它們都是太空任務的重要測量。這些測量必須準確且必須精確，否則可能會產生負面影響。

在本文中，我們探討了與精密 SAR ADC 相關的各種輻射效應。測試用于空間應用的精密 SAR ADC 包括監測 ADC 電源電流的任何 SEB/SEL 行為，以及監測輸出數據是否存在任何可能發生的 SEFI、SEU 或 SET 事件的跡象。這是在一系列能級上執行的，以生成預測曲線，該曲線可與軌道信息或任務剖面信息一起使用，以確定可能發生的這些類型的 SEE 事件的預期數量和幅度。在討論這些影響后，我們將了解抗輻射（rad-hard）精密 SAR ADC 如何為各種類型的空間應用（例如繞地球軌道運行的衛星）提供穩健可靠的解決方案。

一般來說，確認設備在太空中遇到重離子撞擊時能夠正常運行的第一步是驗證設備不會因 SEB/SEL 事件而造成任何損壞。由于精密 ADC 用于不同類型的關鍵功能和測量，因此在許多空間應用中，重要的第一步是確保 ADC 不會因 SEB/SEL 事件而遭受損壞，尤其是災難性損壞。顯然，災難性損害很容易被發現。在這種情況下，ADC 的電源域會顯著增加電源電流，甚至可能看起來該域幾乎對地短路，并吸收正常預期電流的許多倍。然而，并非所有 SEB/SEL 故障都是災難性的。一般來說，確定是否發生 SEB/SEL 事件的標準是監視電源電流的變化是否大于標稱工作電流的 ±10%。圖 1 顯示了在 SEB/SEL 測試運行期間對一組示例的四個精密 ADC 的電流測量。在這里，可以看出沒有觀察到電流變化大于標稱工作電流的 ±10% 的事件。需要測試四個設備才能確定結果。對于所示的精密 ADC，6.3 V 是在沒有觀察到 SEB/SEL 事件的情況下測試的最高輸入電壓。這使精密 ADC 有資格在沒有任何 SEB/SEL 事件的情況下支持 6.3 V。執行這些測試時，器件被加熱到其最大規定結溫。部分目的是將設備置于最壞情況下的操作條件下，

圖 1：SEB/SEL 測試運行監控電源電流——四個被測器件（來源：瑞薩電子）

每個電源域都必須以類似的方式進行測試，以使設備符合額定電壓，而不會出現 SEB/SEL 事件。對于典型的精密 SAR ADC，將有一個模擬電源 (AVCC)、一個數字電源 (DVCC) 和一個參考電壓電源 (VREF)。在某些情況下，模擬輸入可被視為電源輸入，還應監控 SEB/SEL 事件。ADC 不顯示 SEB/SEL 事件很重要；否則，它會使該設備在太空應用中的使用變得更加困難。可以采用緩解技術為 ADC 提供一些保護，但這樣做成本高且不可取。一旦發現 ADC 在 SEB/SEL 測試期間運行良好且沒有不利影響，下一步就是觀察 SEFI、SEU 和 SET 事件的設備行為。

為了觀察 SEFI、SEU 和 SET 事件，采用允許檢測和記錄此類事件的可靠測試方法非常重要。一種這樣的方法是在其正常操作模式下操作精密 SAR ADC，其中輸入信號處于 ADC 的中間電平。這種方法將 ADC 置于其工作范圍的中間，允許在正向和負向兩個方向觀察 SET 事件。觀察 ADC 輸出的代碼是否超出基于中檔模擬??輸入的預期值附近的定義閾值。任何違反此閾值的輸出代碼都會與記錄代碼時的時間戳一起記錄。該閾值是通過在沒有任何重離子輻射的情況下收集 ADC 上的數據來確定的，以確定 ADC 的固有噪聲。

例如，要找到這個可觀察到的 SET 閾值，第一步是在 14 位分辨率的設備上設置 ±2-4 個代碼的檢測窗口。目標是逐漸增加此窗口，直到可以觀察到 ADC 輸出 5-10 分鐘，并且沒有超過閾值的輸出代碼。此步驟執行的時間越長，閾值的置信度就越高。顯然，時間很重要，因此在分配用于觀察 ADC 輸出代碼的時間中必須有一些判斷。通常，5-10 分鐘比在德克薩斯 A&M 大學回旋加速器研究所等設施進行的典型重離子測試要長得多。在獲得正確的通量和總通量的情況下，典型的運行持續 2-3 分鐘或更短。設置閾值的總體目標是確信任何超過閾值的輸出代碼來自重離子撞擊，而不是 ADC 的固有噪聲。任何違反閾值的事件都會被記錄為 SET 事件。

圖 2：SET 檢測閾值窗口（來源：瑞薩電子）

出于本文的目的，SEU 事件將被視為影響 ADC 輸出代碼的設備配置寄存器中的翻轉事件。通過觀察 ADC 輸出代碼是否違反閾值，可以通過器件輸出代碼的變化來觀察給定 ADC 的內部配置寄存器中的異常。如果 SEU 事件發生并且不會導致 ADC 輸出代碼的擾亂，則可以認為該事件不會對系統產生影響。在這種情況下，如果觀察到預期的 ADC 輸出代碼，則沒有可觀察到的事件，因此不會中斷系統。除了檢測 SET 和 SEU 事件外，此方法還可用于識別任何可能發生的 SEFI 事件。

SEFI 事件將被視為 ADC 輸出以這種方式中斷的事件，這種方式會導致部件在沒有用戶干預的情況下無法使用。這可能是 ADC 輸出丟失或 ADC 輸出代碼鎖存到特定代碼（例如滿量程、零量程或預期中間量程代碼之外的某個其他值）的事件。該事件必須發生并且 ADC 必須保持在特定的錯誤狀態，直到用戶干預使 ADC 恢復正常操作。與 SEU 和 SET 事件不同，其中 ADC 輸出自行恢復正常運行，SEFI 事件對系統運行的危害更大。必須檢測到 SEFI 事件，并且用戶必須實施使 ADC 恢復正常運行的對策。在最壞的情況下，SEFI 事件將需要 ADC 重新上電以清除錯誤狀態。顯然，這對于用戶來說是非常不希望的。再一次，此處描述的測試方法將檢測任何此類 SEFI 事件。每當 ADC 輸出代碼超過定義的閾值時，ADC 輸出代碼都會與時間戳一起記錄。時間戳是確定 SEFI 事件的關鍵。如果觀察到一系列違反閾值的連續代碼并繼續無止境，則檢測并記錄 SEFI 事件。通常，用于檢測和記錄輸出代碼的算法會對存儲的代碼數量有所限制。當達到此限制并且執行的后續測量顯示 ADC 輸出仍處于相同狀態時，則觀察到 SEFI 事件。在那時候，可以采用各種措施使 ADC 恢復正常運行。可以使用諸如發出設備復位（如果存在）之類的措施。最好采用除設備電源周期外的所有潛在方法來查看是否可以清除 SEFI 事件。如果沒有找到方法，則可以執行電源循環。通常，這應該清除 SEFI 事件并使 ADC 恢復正常運行。如果 ADC 沒有恢復正常運行，則該設備很可能不適合太空應用。這應該清除 SEFI 事件并使 ADC 恢復正常運行。如果 ADC 沒有恢復正常運行，則該設備很可能不適合太空應用。這應該清除 SEFI 事件并使 ADC 恢復正常運行。如果 ADC 沒有恢復正常運行，則該設備很可能不適合太空應用。

使用重離子執行 SEE 測試的主要目標之一是生成 Weibull 擬合曲線，以允許在給定設備上執行預測分析。這個想法是在重離子測試期間觀察到的 SET 事件并生成一條曲線來顯示 SET 橫截面。這是針對下面圖 3 中的示例 ADC 給出的。

圖 3：記錄的 SET 事件的 Weibull 擬合曲線（來源：瑞薩電子）

通常，希望具有盡可能高的起始值和盡可能低的飽和點。起始值是以 MeV?cm 2為單位的 LET/mg 觀察到 SET 事件。顯然，這個值越高，就越不擔心低能量粒子引起 SET 事件。通過適當的屏蔽，可以減少觀察到的整體 SET 事件。飽和水平是 SET 事件的數量不隨 LET 的增加而增加的地方。期望具有較低的飽和水平，因為這表明對于較高能量的粒子，SET事件的數量不會增加。因為我們在地球上可用的測試設施無法產生在太空中觀察到的能級，所以這是威布爾曲線的一個重要部分，需要理解。飽和度較低時，這表明在太空中可以預期的 SET 事件不應比在重離子 SEE 測試期間觀察到的高很多。當來自 Weibull 擬合曲線的數據被輸入 CREME96 模型以推斷給定軌道中的預期設備響應時，確定了所有這些信息和擾亂概率。現在讓我們看一個用于太空應用的設備示例。

Renesas 的 ISL73141SEH 抗輻射精密 SAR ADC 是適合輻射豐富的空間環境的 ADC 示例之一。本文所述的測試方法適用于該設備。圖 1 中的電源電流數據和圖 3 中的 Weibull 擬合曲線來自 ISL73141SEH 的數據。對于此設備，SET 事件的檢測閾值設置為±8 個代碼的非常低的值。即使值如此之低，統計上也很少觀察到 SET 事件。就 SET 事件的數量與觀察到的樣本數量而言，總共 > 99% 的觀察到的樣本沒有 SET 事件。高達 86 MeV?cm 2的最高測試 LET/mg，持續單個樣本的 SET 事件的百分比平均大于所有觀察到的 SET 事件的 94%。在剩余的 6% 中，SET 事件持續時間不超過三個連續樣本。此外，大多數 SET 事件與預期值相差不到 100 個 ADC 代碼。這一切都意味著，如果 SET 事件發生，它們的持續時間非常短且幅度非常小，這反過來又意味著它們對系統級的影響非常小。在 SEE 測試期間沒有觀察到 SEFI 事件，并且 ISL73141 的額定電壓高達 AVCC = 6.3 V，沒有 SEB/SEL 事件，這大大高于 5.5 V 的最大工作電源電壓。

在為空間應用選擇精密 SAR ADC 時，明智地選擇非常重要。SEE 性能必須適合具有挑戰性的太空環境。ADC 還應該不受 SEB/SEL 事件的影響，只要電源電壓高于其工作范圍，SEU/SET 速率應該盡可能低，理想情況下，應該沒有 SEFI 事件。

　　審核編輯：湯梓紅