郭永飛

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

隨著遙感 CCD相機(jī)的廣泛應(yīng)用,對(duì)其抗輻射性能的研究越來越深入?？臻g環(huán)境不同于地面,宇宙中存在著大量的粒子,遙感 CCD相機(jī)會(huì)受到輻射和重粒子的沖擊而發(fā)生各種輻射效應(yīng),造成其工作的異?；蚬收?。同時(shí),由于遙感 CCD相機(jī)具有工作周期長(zhǎng)和不可維護(hù)性,對(duì)其可靠性的要求非常高。從國(guó)內(nèi)外對(duì)遙感事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn) 40%的故障源于空間輻射[1],因此,抗輻射技術(shù)是保證遙感 CCD相機(jī)高可靠性的關(guān)鍵因素,是目前航天電子領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

本文在對(duì)空間輻射環(huán)境進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對(duì)輻射危害進(jìn)行研究,分別從輻射總劑量和單粒子等方面提出了遙感 CCD相機(jī)抗輻射策略和具體的設(shè)計(jì),并利用實(shí)驗(yàn)對(duì)抗輻射措施進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 空間輻射

空間輻射環(huán)境根據(jù)來源不同主要分為太陽活動(dòng)、宇宙射線、范艾倫輻射帶 (Van Allen Belt)和次級(jí)輻射,處于不同的軌道輻射環(huán)境也不同。對(duì)于圍繞地球運(yùn)行的航天器威脅最大的是位于赤道上空的內(nèi)、外范艾倫輻射帶,它們主要由高能質(zhì)子(30～100 MeV)和高能量電子 (0.4～1 MeV)組成,受輻射的劑量率可分別達(dá)到 1和 10 Gy/h。

(1)太陽活動(dòng)

太陽輻射是空間輻射環(huán)境中最活躍和最主要的因素,長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn),依據(jù)粒子能量和通量的不同,可將太陽活動(dòng)分為緩變型太陽活動(dòng)和爆發(fā)型太陽活動(dòng),它們的輻射影響不同。前者太陽風(fēng)的主要成分為電子和質(zhì)子,發(fā)射粒子流的速度為300～900 km/s;后者太陽風(fēng)的主要成分為大量的帶電粒子流和高能射線,發(fā)射的粒子流的速度高達(dá) 2 000 km/s以上,能量比前者高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

太陽活動(dòng)周期為 11年。如太陽耀斑等爆發(fā)型太陽活動(dòng)在太陽活動(dòng)低年發(fā)生概率較小,在太陽活動(dòng)峰年發(fā)生概率極大。太陽耀斑屬于小概率,其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短、總能量小,但功率極高,一般高能質(zhì)子 (約 30 MeV)噴射持續(xù)時(shí)間可為數(shù)百分鐘至數(shù)天,總劑量為 0.1～10 Gy。太陽輻射對(duì)航天電子設(shè)備和宇航員具有極大的破壞性,因此一直是空間輻射領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

(2)宇宙射線

宇宙射線是密度極小,能量極高的各向同性粒子,其成分的 83%為高能粒子,具有極大的貫穿能力。所以飛行器在外層空間運(yùn)行所受的輻射是相當(dāng)嚴(yán)重的,處于地球衛(wèi)星中的航天電子系統(tǒng)每年所接受到累積輻射劑量可達(dá) 100 Gy以上,其中暴露于表面的元器件更高。

(3)范艾倫輻射帶

在沒有爆發(fā)型太陽活動(dòng)時(shí),輻射帶內(nèi)高能粒子的組成和分布相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)爆發(fā)型太陽活動(dòng)發(fā)生,或星際磁場(chǎng)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí),輻射帶內(nèi)高能粒子的能譜和通量會(huì)激增且輻射帶更靠近地球,從而導(dǎo)致地球衛(wèi)星,甚至地面電氣設(shè)備的故障。

(4)次級(jí)輻射

當(dāng)本源高能粒子穿過遙感器材料時(shí),會(huì)發(fā)生核反應(yīng),激發(fā)出次級(jí)粒子和射線。

目前主要關(guān)注的比較平穩(wěn)的低地軌道環(huán)境(即軌道高度 100～1 000 km)其典型的輻射劑量是每年 0.1 krad,對(duì)于壽命期 3～5年的飛行器,總輻射劑量 ＜0.5 krad。在地球極地軌道,飛行器經(jīng)過離子宇宙線和太陽耀斑等區(qū)域會(huì)沉積大量的輻射,雖然輻射過程很短,輻射劑量每年只有3 krad左右,但長(zhǎng)期積累的輻射總劑量較為可觀。

圖1 空間輻射環(huán)境[2]Fig.1 Space radiation environment[2]

一個(gè)飛行器的總劑量通常會(huì)達(dá)到 10～100 krad。W ilson等人粗略地給出了空間環(huán)境的組成離子和能譜 ,如圖1所示[2]。

3 輻射危害

空間輻射對(duì)遙感 CCD相機(jī)的輻射效應(yīng)主要分為 3類:

(1)輻射總劑量 (Total I onizingDose,T ID)

輻射總劑量是指電子器件在輻射環(huán)境下器件在發(fā)生重大改變 (永久故障)前所能承受的總吸收能量級(jí)。

(2)單粒子效應(yīng) (Single Event Effect,SEE)

單粒子效應(yīng)是指單個(gè)高能粒子撞擊對(duì)電子器件的瞬間擾動(dòng)或是永久性的損傷,分為單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng) (Single EventUpset,SEU)和單粒子閂鎖效應(yīng)(Single EventLatch,SEL)。

(3)位移效應(yīng) (DisplacementDamage,DD)

位移效應(yīng)是指單個(gè)高能粒子撞擊電子器件時(shí),粒子與晶格原子在碰撞過程中使原子核離開它正常的位置形成晶格缺陷。

3.1 TI D

輻照總劑量主要是指帶電粒子 (如電子、質(zhì)子等),γ射線和 X射線與物質(zhì)相互作用在半導(dǎo)體器件內(nèi)產(chǎn)生過量電子/空穴及其后在器件內(nèi)部不同位置所產(chǎn)生的一系列物理過程,如復(fù)合、輸運(yùn)等對(duì)器件電性能的影響[3]。沒有外加電場(chǎng)時(shí),復(fù)合的趨勢(shì)較強(qiáng);有外加電場(chǎng)時(shí),電子和空穴沿電場(chǎng)方向相向運(yùn)動(dòng),由于電子的遷移率非常高,能很快離開氧化物,從而使得空穴得以在氧化物內(nèi)累積,形成柵氧空穴捕獲。電場(chǎng)強(qiáng)度越大,電子遷移率越高,柵氧捕獲越強(qiáng),這就是加電半導(dǎo)體器件的T ID損傷比不加電半導(dǎo)體器件受損嚴(yán)重的原因。

輻照總劑量效應(yīng)對(duì)金屬-氧化物硅 (MOS)器件影響大;輻射將最終在 SiO2絕緣層產(chǎn)生正的氧化物陷阱電荷,在 Si/S iO2界面產(chǎn)生界面陷阱電荷,結(jié)果導(dǎo)致器件的電性能參數(shù)明顯退化,甚至功能失效,是一種累積的損傷行為。一般來說,對(duì)短時(shí)間的總劑量效應(yīng) (如核爆炸產(chǎn)生的γ射線和X射線)主要是氧化物陷阱電荷的損傷;對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的總劑量效應(yīng) (空間輻射環(huán)境)則主要來自界面陷阱電荷損傷[2]。

3.2 SEE

單粒子效應(yīng)則主要對(duì)短溝道的大規(guī)模集成電路產(chǎn)生影響。除了在半導(dǎo)體機(jī)理上的單粒子效應(yīng)外,其半導(dǎo)體生產(chǎn)材料和工藝的變化也使大規(guī)模集成電路對(duì)單粒子效應(yīng)更加敏感。最近研究表明,在 MOS器件的溝道長(zhǎng)度、結(jié)深和柵氧厚度等比縮小 (由 0.5μm至 0.18μm工藝)的同時(shí),器件工作電壓并未能隨之等比減少,這就導(dǎo)致器件溝道區(qū)的橫向和縱向電場(chǎng)以及氧化層縱向電場(chǎng)顯著增加,引起對(duì)單粒子效應(yīng)敏感。

單粒子效應(yīng)在行為上可分為 SEL和 SEU。1)SEL

圖2 非門結(jié)構(gòu)Fig.2 NOT gate configuration

SEL發(fā)生在瞬時(shí)密集的電子/空穴形成的電流使寄生的晶體管導(dǎo)通,在 CMOS集成電路中寄生著雙極性晶體管構(gòu)成的 PNPN器件[4],以圖2(a)中的非門為例,P襯底上 NMOS的 n+、P襯底的 p-、以及 N阱的 n+接觸墊可以構(gòu)成水平的寄生 NPN晶體管的Vsub,N阱上 PMOS的 p+、N阱的 n-、以及 P襯底的 p+接觸墊可以構(gòu)成垂直的寄生 PNP晶體管的Vwell;圖2(b)為寄生 PNPN的等效電路。正常情況下,Vsub和Vwell集電結(jié)零偏置,發(fā)射結(jié)正偏置,處于截止?fàn)顟B(tài),此時(shí)VDD和GND之間具有很高的阻抗。當(dāng)高能粒子射入阱和襯底之間時(shí),阱和襯底之間就會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的導(dǎo)通,由于電勢(shì)差的存在,就會(huì)造成Vsub的發(fā)射結(jié)正偏置,Vsub的導(dǎo)通又會(huì)導(dǎo)致Vwell的導(dǎo)通,從而使得 PNPN進(jìn)入正反饋,此時(shí)VDD和 GND呈現(xiàn)低阻態(tài)。

如沒有限流措施,低阻態(tài)產(chǎn)生的大電流可將器件內(nèi)金屬線熔斷,造成永久性損傷,甚至可將器件燒毀,不能恢復(fù),屬于“硬故障”。若有限流措施,單粒子使電路“死機(jī)”,但斷開電源并重新上電,能恢復(fù)電路功能,屬于“軟故障”。

2)SEU

SEU效應(yīng)指當(dāng)單個(gè)高能粒子轟擊器件電路時(shí),電子器件內(nèi)部因強(qiáng)烈電離而在很小空間范圍內(nèi)形成等離子體,當(dāng)?shù)入x子體徑跡附近存在電勢(shì)差時(shí),會(huì)引起電荷的轉(zhuǎn)移[5],當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移足夠大時(shí),使器件的邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn),出現(xiàn)邏輯功能和數(shù)據(jù)混亂。單個(gè)位翻轉(zhuǎn)稱為 SEU,多個(gè)位翻轉(zhuǎn)稱為MBU。以圖3中寄存器單元為例,當(dāng)高能粒子轟擊左下側(cè)的NMOS管并致其導(dǎo)通時(shí),會(huì)導(dǎo)致A點(diǎn)因接地而從 1變 0,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致B點(diǎn)從 0變 1。這種錯(cuò)誤不會(huì)使邏輯電路損壞,也屬于“軟錯(cuò)誤”,重新上電后可恢復(fù)功能。

圖3 SEU效應(yīng)的本質(zhì)Fig.3 Essence of SEU effect

3.3 DD

高能粒子入射到電子元器件及材料時(shí),當(dāng)它充分地靠近被輻射材料晶格原子的原子核,或與原子核產(chǎn)生彈性碰撞時(shí),晶格原子在碰撞過程中得到機(jī)械能,會(huì)離開它正常的位置,從而形成器件功能部位的晶格缺陷。如果入射高能粒子能量足夠大,會(huì)使晶格內(nèi)大量原子發(fā)生位移,形成大的缺陷簇。晶格缺陷會(huì)導(dǎo)致器件性能參數(shù) (晶體管放大系數(shù)、太陽電池和 CCD等光電敏感器件的轉(zhuǎn)換效率)退化,缺陷逐步累積,直至器件喪失功能,因此 DD造成的損傷屬于累積效應(yīng)[6]。DD與T ID表現(xiàn)類似但本質(zhì)不同,T ID與器件加電狀況有關(guān),DD的損傷與加電與否無關(guān)。另外 T ID損傷對(duì)象更廣,DD的損傷對(duì)象為雙極性器件、太陽電池和 CCD等光電敏感器件。

4 抗輻射策略

遙感 CCD相機(jī)是航天遙感有效載荷中重要的部分[7],它主要由 CCD傳感器、預(yù)放器、時(shí)序發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)器、視頻處理器、數(shù)據(jù)合成器、控制與接口電路組成。如圖4所示。

圖4 遙感 CCD相機(jī)的組成Fig.4 Structure of CCD remote sensing camera

圖4中各器件和模塊的作用為,CCD傳感器:將投影圖像轉(zhuǎn)換為電壓圖像;預(yù)放器:阻抗匹配和放大以驅(qū)動(dòng)視頻傳輸線;時(shí)序發(fā)生器:產(chǎn)生CCD工作所需的時(shí)序脈沖;驅(qū)動(dòng)器:放大時(shí)序脈沖功率,驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載;視頻處理器:降低噪聲、減少頻率混淆、AD轉(zhuǎn)換 (濾波器、CDS、后置放大器和 ADC);數(shù)據(jù)合成:將多路圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和編排;控制與輸出:接受外部的控制信號(hào)和輸出圖像數(shù)據(jù)。

遙感 CCD相機(jī)涉及光電變換和電子學(xué)等領(lǐng)域的技術(shù),從圖4可見其主要采用 CCD傳感器、集成電路和 FPGA等電子元器件構(gòu)成,在空間應(yīng)用中電子元器件會(huì)受到電磁場(chǎng)的輻射和重粒子的沖擊而發(fā)生各種輻射效應(yīng),造成其工作的異常或故障。為了提高遙感 CCD的可靠性,必須采取抗輻射策略和具體的設(shè)計(jì)。

4.1 CCD傳感器抗輻射措施

CCD傳感器的物理基礎(chǔ)是 MOS電容器。圖5給出三相 CCD的結(jié)構(gòu)圖。在空間輻射環(huán)境中受到輻射時(shí),在 Si表面和 S iO介質(zhì)層內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生各種輻射缺陷,使表面復(fù)合和體內(nèi)復(fù)合增大,MOS閾值電壓漂移,電荷轉(zhuǎn)移效率下降。另外,電荷激發(fā)的量子效應(yīng)易受到輻射影響,可導(dǎo)致噪聲性能逐漸衰退。

圖5 CCD的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure sketch of CCD

NASA Goddard宇航中心探測(cè)器實(shí)驗(yàn)室對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 (HST)寬視場(chǎng)攝像機(jī)中的 CCD探測(cè)器性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明,輻射使 CCD性能明顯退化,主要為電荷轉(zhuǎn)移效率 (Charge Transfer Effect,CTE)降低、暗電流增加、亮疵點(diǎn)數(shù)增加。CTE退化可引起光探測(cè)精度降低、噪聲增加。CTE和暗電流的變化是由于質(zhì)子誘導(dǎo)的位移損傷引起的,因此 CCD傳感器輻射損傷主要是 T ID和DD效應(yīng)的結(jié)果。

在遙感 CCD相機(jī)中,CCD傳感器要接受外部入射的光子,將有部分面對(duì)外太空,不能采用常規(guī)的抗輻射加固的辦法。提高 CCD抗輻射能力的主要措施有兩個(gè)方面:

(1)器件工藝改進(jìn)

提高 SiO介質(zhì)層抗輻射性能,采用薄柵介質(zhì)(50～75 nm)可有效減小 CCD電壓漂移;在氧化物中摻鉻可有效抑制表面態(tài)形成,提高負(fù)偏壓下CCD的抗輻射能力;在氧化物生長(zhǎng)工藝中嚴(yán)格控制 SiO中的 Na含量,抑制閾值電壓漂移,可用氧化鋁或氮化硅、二氧化硅組成多層?xùn)沤橘|(zhì),削弱平帶電壓漂移。

美國(guó)休斯公司加固的埋柵 CCD,在 1×104Gy(s)劑量輻照下,閾值電壓漂移可小于 2 V,表面柵 CCD閾值電壓漂移小于 1.5 V,平均暗電流僅為輻射前的 1.75倍。

(2)器件降額使用

通過有意降低 CCD傳感器承受的電、熱等應(yīng)力,可降低其輻射失效率。在設(shè)計(jì)上將 CCD傳感器的飽和電子數(shù)保留 20%的余量,可保證在使用壽命期內(nèi)因輻射效應(yīng)引起的暗電流增加而不影響其動(dòng)態(tài)范圍。另外,CCD傳感器的實(shí)際驅(qū)動(dòng)速率要選擇在其額定速率的 50%以內(nèi),并盡可能地采用多路輸出的形式,以克服因輻射效應(yīng)帶來的CTE退化降低光探測(cè)精度。充分地采用導(dǎo)熱措施,使 CCD傳感器的工作溫度保持在低水平上,以抑制因輻射效應(yīng)引起的暗電流增加并降低輻射失效率。

4.2 集成電路抗輻射措施

遙感 CCD相機(jī)中的預(yù)放器、驅(qū)動(dòng)器、視頻處理器和控制與接口均采用了一定規(guī)模的集成電路,其中 CMOS集成電路占主導(dǎo)地位。提高CMOS集成電路抗輻射能力的主要措施有 5個(gè)方面:

(1)選擇抗輻射器件

通常,給定輻射劑量的相對(duì)影響取決于芯片技術(shù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)。在材料選取方面,SO I(Silicon-On-Insulator),SOS(Silicon-On-Sapphire),GaAs等材料的抗輻射能力比 Si要高,如 SO I器件中 MOS管和襯底之間絕緣隔離,降低了寄生 PNPN回路增益,減少了可能的激發(fā)電流,從而消除了 SEL。另外,在基片的工藝上應(yīng)盡量選用0.3μm以上器件,同時(shí)保證選擇的器件具有一定的輻射設(shè)計(jì)余量 (RDM ＞2)。

(2)器件屏蔽和加固

在選擇抗輻射器件出現(xiàn)困難時(shí)或者選擇抗輻射器件達(dá)不到應(yīng)用要求時(shí),設(shè)計(jì)者就只有求助于另一種解決方法—附加屏蔽和加固。這是抗輻射的一個(gè)傳統(tǒng)和自然的辦法,即采用抗輻射材料加固器件和在外殼和架構(gòu)上的鋁板外涂覆抗輻射材料加強(qiáng)對(duì)輻射的屏蔽,如圖6所示。

圖6 輻射屏蔽和加固Fig.6 Radiation shield and radiation hardening

表1 遙感 CCD相機(jī)部分集成電路降額使用Tab.1 Derating use of part ICs in remote sensing CCD camera

如NASA已經(jīng)應(yīng)用了 Rad-pakTM和 Rad-coatTM涂覆技術(shù)[8]。但是,屏蔽的作用對(duì)高能粒子有限,且屏蔽材料的厚度受到航天器體積和重量的制約,輻射加固的器件價(jià)格昂貴又難以供貨。另外由此增加了重量也是不希望有的。

(3)器件降額使用

通過有意降低預(yù)放器、驅(qū)動(dòng)器、視頻處理器和控制與接口等采用的集成電路器件承受的電、熱等應(yīng)力,以降低其輻射失效率。表1所示為遙感CCD相機(jī)中采用的部分集成電路降額使用設(shè)計(jì)。

針對(duì)不能采取降額使用的輻照敏感器件,進(jìn)行最壞情況分析(即最大輻射劑量下),確保在使用壽命期內(nèi)性能和功能滿足要求。

(4)抗閂鎖 (SEL)電路

盡管遙感 CCD相機(jī)中 CMOS結(jié)構(gòu)的集成器件有眾多優(yōu)點(diǎn),但它并非完美無缺。主要是CMOS結(jié)構(gòu)會(huì)形成電路的閂鎖 (又稱閉鎖、自鎖、閘流效應(yīng)),這是 CMOS集成器件與生俱來的寄生效應(yīng),它會(huì)嚴(yán)重影響集成器件的功能,造成集成器件功能混亂甚至集成電路器件根本無法工作或燒毀。由于 CMOS集成器件的 SEL主要表現(xiàn)為內(nèi)部的低阻態(tài)產(chǎn)生的大電流,只要限制其電流大小,就可避免將 CMOS集成器件燒毀。

抗 SEL措施包括:限流、基于電流檢測(cè)的電源管理、周期性切機(jī)、設(shè)備自檢等。限流是最常用的一種典型方法,一般是在 CMOS集成器件的電源入口串接小限流電阻,如圖7所示。因不同的CMOS集成器件工作頻率和負(fù)載有差異,工作電流IDD的區(qū)別會(huì)很大,從幾～幾十毫安。為此,可針對(duì)每個(gè) CMOS集成器件的使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試確定,舉例如下:

圖7 CMOS集成器件限流方法Fig.7 Limit currentmethod of CMOS integrate element

CMOS集成器件的動(dòng)態(tài)工作電流為IDD=10 mA,額定工作電壓VDD=5 V,器件電壓為4.75～5.25 V,該器件的閂鎖ISEL=200 mA。

先計(jì)算出ΔV的值,ΔV=VDD-VB,要保證器件正常工作,VB應(yīng)選取不小于 4.75 V,則ΔVmax=0.25 V,然后求出RL。

當(dāng)該器件進(jìn)入閂鎖時(shí),可以認(rèn)為VB是 0 V,則故障電流為:

該Ifail遠(yuǎn)小于ISEL=200 mA,這里需要注意RL的功率要遠(yuǎn)大于 5×40=200 mW。

限流可以防止 CMOS電路進(jìn)入鎖定態(tài)或進(jìn)入鎖定態(tài)后器件不遭損壞,經(jīng)斷電再重新啟動(dòng)后電路可退出鎖定。限流對(duì)單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的鎖定可起到相同的保護(hù)作用。

此方法的不足表現(xiàn)在,其一,由于串接電阻,增加了功耗;其二,由于IDD是動(dòng)態(tài)工作電流,IDD的變化會(huì)引起VB的變化,因此串接電阻的方法適應(yīng)于 CMOS數(shù)字集成器件;其三,此方法只能用于動(dòng)態(tài)工作電流≤10 mA,且閂鎖電流 /工作電流≥20的 CMOS集成器件。

圖8 LDO限流Fig.8 LDO limit current

基于電流檢測(cè)的電源管理可以實(shí)時(shí)監(jiān)視電流大小,一旦電流超過某一設(shè)定閾值,則認(rèn)為發(fā)生了SEL,即自動(dòng)進(jìn)行限流的過程,從而消除閂鎖?，F(xiàn)在常用的設(shè)計(jì)是在單個(gè)器件或多個(gè)器件的供電回路中加入具有限流功能的低壓差穩(wěn)壓器 (LDO),該LDO電路應(yīng)該采用雙極性晶體管電路構(gòu)成,因?yàn)樗旧硪哂?SEL免疫能力,如圖8所示。

采用LDO電流檢測(cè)的電源管理方法可以有效地克服串接電阻限流方法的諸多不足,特別是IDD是動(dòng)態(tài)工作電流的變化引起VB的變化,而VB是由 LDO設(shè)定的輸出值,即固定的,所以此方法適應(yīng)于通用的 CMOS集成器件。另外,此方法可用于動(dòng)態(tài)工作電流≥10 mA,且閂鎖電流 /工作電流≤20的抗 SEL的設(shè)計(jì)。舉例如下:

CMOS集成器件的動(dòng)態(tài)工作電流IDD=25 mA,額定工作電壓為 5 V,器件電壓為 4.75～5.25 V,該器件的閂鎖ISEL=400 mA。閂鎖電流 /工作電流 =16。采用 LDO進(jìn)行限流控制時(shí),LDO選取MAX883,它的輸入電壓為 3～11 V,輸出電壓可設(shè)定為 4.65～5.35V,在ΔV=0.3 V時(shí)的續(xù)流能力為 200 mA,限流控制為 350 mA。

設(shè)定VDD=5.20 V,VB=4.9 V,保證正常工作ΔV=0.3 V。當(dāng)該器件進(jìn)入閂鎖時(shí),LDO限流控制到 350 mA,該限流值應(yīng)小于ISEL=400 mA,可以防止某 CMOS集成器件進(jìn)入鎖定態(tài)。因MAX883具有 200 mA續(xù)流能力,可以將多個(gè)該器件采用一個(gè) LDO進(jìn)行限流保護(hù),如用 6片時(shí),正常工作電流為∑IDD=150 mA,當(dāng)任何一片器件進(jìn)入閂鎖時(shí),即可防止某 CMOS集成器件進(jìn)入鎖定態(tài)。

(5)增加冗余能力

冗余設(shè)計(jì)方法是公認(rèn)為比較可靠的對(duì)付輻射效應(yīng)的方法。遙感 CCD相機(jī)的冗余能力采用物理上完全雙機(jī)冷備份,包括電源變換,輸入和輸出接口均可具有主份或備份獨(dú)立控制。針對(duì)一些重要的 CMOS集成器件也要采用雙電路冷備份,無法實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余冷備份的電路設(shè)計(jì)則采用了熱備份設(shè)計(jì)。此外,對(duì)冗余電路進(jìn)行周期性切機(jī)是防止小電流閂鎖的有效方法,采取冷備份方式還有助于 T ID退火。遙感 CCD相機(jī)的冗余如圖9所示。

圖9 遙感 CCD相機(jī)的雙機(jī)冷備份冗余設(shè)計(jì)Fig.9 Two system redundancy design of remote sensing CCD camera

4.3 FPGA抗輻射措施

自 2003年 FPGA成功應(yīng)用于火星探測(cè)任務(wù)之后,國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域?qū)?FPGA的應(yīng)用興趣大增[9]。遙感 CCD相機(jī)中時(shí)序發(fā)生器和數(shù)據(jù)合成器采用了 FPGA來實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜的功能,因此 FPGA器件是遙感 CCD相機(jī)中的關(guān)鍵部位,其抗輻射措施十分重要。提高 FPGA抗輻射能力的主要措施有 5個(gè)方面:

(1)選擇抗輻射 FPGA

通常,給定輻射劑量的相對(duì)影響取決于芯片技術(shù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)。針對(duì) FPGA類型,如 Xilinx的SRAM型 FPGA,要選擇具有抗輻射能力強(qiáng)的型號(hào)。如果在該型號(hào)獲取困難時(shí),就要選擇工藝上具有特殊結(jié)構(gòu)的 FPGA,如 Actel的反熔絲的 FPGA,在根本上提高 FPGA抗輻射能力。在基片的工藝上盡量選用 0.25μm以上器件,同時(shí)保證選擇的器件具有一定的輻射設(shè)計(jì)余量。

(2)FPGA屏蔽和加固

FPGA的屏蔽和加固可以借鑒集成器件單體屏蔽和加固的技術(shù),即采用抗輻射材料加固器件加強(qiáng)對(duì)輻射的屏蔽。這里不再闡述。

3)FPGA降額使用

通過有意降低 FPGA的工作頻率和功耗,設(shè)計(jì)上將 FPGA的工作頻率保留 50%的余量,以降低其輻射失效率,如表2所示。

表2 遙感 CCD相機(jī)中 FPGA的降額使用Tab.2 Derating use of FPGA in CCD remote sens ing camera

(4)FPGA抗閂鎖 (SEL)電路

FPGA動(dòng)態(tài)工作電流IDD=300 mA,該器件的閂鎖ISEL為 880～1000 mA。閂鎖電流 /工作電流為 2.9～3.3,因此 FPGA抗閂鎖要采用 LDO進(jìn)行限流控制。若 LDO選取MAX883,它在ΔV=0.3 V時(shí)的續(xù)流能力僅為 200 mA,不能滿足 FPGA動(dòng)態(tài)工作電流的需要。一種解決辦法是選擇能夠保證FPGA正常工作電流且限流控制小于ISEL的 LDO;另一種解決辦法是將兩片MAX883并聯(lián)使用來達(dá)到 FPGA的使用需求,即續(xù)流能力達(dá)400 mA,限流控制能力為 700 mA,小于 FPGA的ISEL。

但對(duì) FPGA采用LDO進(jìn)行限流控制時(shí),要特別關(guān)注 FPGA需上電配置的特性。對(duì) Actel的反熔絲的 FPGA,因無需上電配置,可以不予以考慮;而對(duì)于 Xilinx的 SRAM型 FPGA必須要注意,此類的 FPGA的控制邏輯數(shù)據(jù)需由外部在上電時(shí)進(jìn)行配置,這期間 FPGA的工作電流將很大,有時(shí)將超過限流控制的電流,因此需要設(shè)計(jì)特別的電路,即能在 FPGA上電配置期間提供足夠的電流能力,在其配置結(jié)束后,又能起到當(dāng)單粒子閂鎖發(fā)生時(shí),LDO進(jìn)行限流控制。如圖10所示。

圖10 FPGA的 LDO限流控制Fig.10 LDO l imit current control of FPGA

舉例如下,兩片 LDO1和 LDO2(MAX883)處于常工作狀態(tài),一片 LDO3(LM2941)僅在配置階段起到提供足夠的配置電流的作用,LM2941的續(xù)流能力為 1.5 A,配置完畢后由 FPGA控制其關(guān)斷。LDO1和LDO2提供正常工作和單粒子閂鎖發(fā)生時(shí)的限流控制。

(5)FPGA抗SEU

對(duì)于 Xilinx的 SRAM型 FPGA,當(dāng)單粒子產(chǎn)生的位翻轉(zhuǎn)發(fā)生在器件的控制或配置單元時(shí),配置單元的翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致 FPGA功能錯(cuò)誤,即發(fā)生了SEFI[10]。因此 FPGA抗 SEU的常用方法是 3倍冗余法 (Triple Module Redundancy,T MR)和部分3倍冗余法 (Partial TripleModule Redundancy,PTMR)。冗余設(shè)計(jì)方法是被公認(rèn)為比較可靠的對(duì)付輻射效應(yīng)的方法。圖11所示為 Xilinx推薦的 3倍冗余設(shè)計(jì)邏輯,這種邏輯充分地考慮了 SEU產(chǎn)生的影響。雖然 T MR提高了可靠性[8],但是也會(huì)使模塊的速度降低 (有的甚至低到原來的 80%)、占用資源和功率增加 (約為 3.2倍)。所以要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)關(guān)鍵部分使用 PT MR。

另外,FPGA在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)需要進(jìn)行邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算和移位旋轉(zhuǎn)運(yùn)算等邏輯運(yùn)算,這些運(yùn)算由內(nèi)部的 CLB實(shí)現(xiàn),而這些部件在受到輻射影響后,運(yùn)算結(jié)果可能出現(xiàn)異常,甚至錯(cuò)誤。因此,在 FPGA設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮對(duì)關(guān)鍵運(yùn)算結(jié)果的檢驗(yàn),以獲得計(jì)算結(jié)果的正確性。常用的結(jié)果檢驗(yàn)方法有 Berger預(yù)測(cè)法[11]、余數(shù)判斷法檢測(cè)法、 奇偶校驗(yàn)等。

圖11 Xilinx推薦的 3倍冗余設(shè)計(jì)邏輯Fig.11 Three time redundancy design logic recommended by Xilinx

5 抗輻射措施驗(yàn)證

抗輻射措施驗(yàn)證的目的是獲得空間輻射參數(shù)與遙感 CCD相機(jī)器件在施加抗輻射措施后受損程度的關(guān)系,驗(yàn)證包括空間飛行驗(yàn)證和地面模擬驗(yàn)證,在空間驗(yàn)證成本太高。因此,建立簡(jiǎn)化的地面模擬驗(yàn)證環(huán)境來模擬實(shí)際的空間輻射是常用的抗輻射驗(yàn)證方法。抗輻射驗(yàn)證可以分為輻射環(huán)境設(shè)置 (輻射源選取,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))、器件受損參數(shù)測(cè)定、以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析 3個(gè)環(huán)節(jié)。

5.1 抗輻射總劑量驗(yàn)證

隨器件受不同輻射其受損程度也不同,如一般器件的 T ID損傷多數(shù)表現(xiàn)為參數(shù)的變化。驗(yàn)證時(shí)首先將未被輻射的器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)定,然后將施加抗輻射措施和未施加抗輻射措施的 CCD相機(jī)或器件分別或同時(shí)置于輻射源下,常見輻射源包括脈沖激光、X射線、Co60γ源,總劑量控制在4～5不同的檔位,如圖12和圖13所示。

圖12 抗輻射總劑量驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.12 Validating experiment of anti-radiation TD I

圖13 CCD器件抗輻射總劑量驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.13 Validating experiment of CCD′s anti-radiation TD I

5.2 抗單粒子驗(yàn)證

抗單粒子驗(yàn)證可采用高能離子源 (锎、镅、鍶等)、中子模擬源、電子加速器和重離子加速器等,在大量單粒子效應(yīng)普查階段,最好選用脈沖激光,以降低成本;而在關(guān)健芯片的定量驗(yàn)證時(shí),須采用重離子源或加速器。驗(yàn)證方法可見上節(jié)的敘述,并參見圖12和圖13。

5.3 抗輻射評(píng)估

在輻射驗(yàn)證試驗(yàn)和空間環(huán)境估算的基礎(chǔ)上,即可對(duì) CCD相機(jī)和所使用的器件抗輻射能力進(jìn)行評(píng)估。M IL-HDBK-814采用了輻射設(shè)計(jì)極限(Radiation Design Breakpoint,RDBP)來評(píng)估 T ID損傷,該方法通過輻射設(shè)計(jì)邊界 (Radiation Design Margin,RDM)來界定抗輻射能力。在 RDBP中,當(dāng) RDM ＜2～3時(shí),認(rèn)為試驗(yàn)樣品不滿足抗輻射要求;當(dāng) 2～3＜RDM ＜10～100時(shí),認(rèn)為該試驗(yàn)樣品為抗輻射需求的關(guān)鍵部件,需審慎對(duì)待;當(dāng)RDM ＞10～100時(shí),認(rèn)為該試驗(yàn)樣品完全滿足抗輻射需求。

6 結(jié)束語

在遙感 CCD相機(jī)的廣泛應(yīng)用中,由于相機(jī)具有工作周期長(zhǎng)和不可維護(hù)性,對(duì)其可靠性的要求非常高。遙感 CCD相機(jī)受到輻射和重粒子的沖擊而發(fā)生各種輻射效應(yīng),會(huì)造成其工作的異?；蚬收?因此,抗輻射技術(shù)是保證遙感 CCD相機(jī)高可靠的關(guān)鍵問題。本文沿著輻射、輻射損傷、抗輻射措施等因果關(guān)系,著重介紹和分析了輻射來源的種類、輻射的損傷機(jī)理、抗輻射措施、輻射驗(yàn)證試驗(yàn)、以及抗輻射加固保障技術(shù)。該文的試驗(yàn)和分析會(huì)為提高遙感 CCD相機(jī)的抗輻射能力提供有益參考。

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