空間單粒子翻轉(zhuǎn)甄別與定位系統(tǒng)原理樣機的設(shè)計及試驗

趙振棟，陶文澤，李衍存，成 毅，張慶祥，安 恒，全小平，張晨光

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；3.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)一直是影響空間電子設(shè)備可靠性的一項因素，可導(dǎo)致電子設(shè)備在軌出現(xiàn)異常，嚴重時會造成航天器故障。SEU引起的航天器在軌異常和故障難以準確甄別，為了掌握SEU甄別與定位技術(shù)、機理及其輻射環(huán)境感知能力，更好地了解大容量SRAM型輻照敏感器件的空間應(yīng)用風(fēng)險，提高航天器關(guān)鍵電子設(shè)備的輻射防護能力，需研制SEU效應(yīng)甄別與定位原理樣機。

結(jié)合位置靈敏的硅探測器和SRAM型輻照敏感器件，實現(xiàn)對隨機發(fā)生的SEU效應(yīng)甄別提供時間、位置和粒子LET值等信息。硅探測器作為一種常用的粒子探測器，具有結(jié)構(gòu)簡單、位置分辨率好、兼容性強等特點，并在實驗物理、核儀器和空間環(huán)境探測等領(lǐng)域有大量應(yīng)用[1-2]。SRAM型器件SEU的檢測和防護已有大量研究[3-5]，而同時探測輻照敏感器件發(fā)生SEU的物理位置和粒子能量、翻轉(zhuǎn)率等特性的探測方法，以及二者之間的關(guān)聯(lián)性研究，在國內(nèi)外未有相關(guān)文獻報導(dǎo)。本文提出一種SEU甄別與定位技術(shù)方法，研制原理樣機，采用波形數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)多道粒子甄別與能量信號測量，通過數(shù)據(jù)回讀比較法實現(xiàn)SRAM器件翻轉(zhuǎn)邏輯定位檢測。

1 SEU甄別與定位探測技術(shù)原理

硅探測器與目標器件在垂直方向相互臨近安裝，粒子入射到硅探測器的位置區(qū)域與目標器件邏輯翻轉(zhuǎn)的物理位置對應(yīng)。一方面，硅探測器被分割為陣列網(wǎng)格，電子學(xué)設(shè)計多個探測通道，高能粒子撞擊到硅探測器的某一網(wǎng)格位置可被探測到；另一方面，目標器件發(fā)生SEU的邏輯位置可通過電路檢測到。目標器件內(nèi)部的邏輯位置與器件的物理位置存在對應(yīng)關(guān)系，因此可根據(jù)目標器件被高能粒子擊中的物理位置獲得器件內(nèi)部的邏輯位置。同時根據(jù)硅探測器的能量分辨特性，可獲得高能粒子的能量、入射時間。空間高能粒子位置與器件翻轉(zhuǎn)邏輯位置的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。當(dāng)硅探測器獲得高能粒子信號后，可獲得目標器件內(nèi)部可能受到高能粒子轟擊的邏輯位置，此時這些邏輯位存在發(fā)生SEU的可能性，由此可對目標器件的邏輯資源進行檢測。

圖1 高能粒子位置與器件翻轉(zhuǎn)邏輯位置的關(guān)系Fig.1 Relationship between high energy particle physical position and device upset logical position

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

SEU甄別與定位原理樣機由硅探測器和電子學(xué)單元組成。硅探測器敏感到入射的高能粒子，產(chǎn)生脈沖信號；電子學(xué)單元測量入射到視窗內(nèi)的有效高能粒子信號，包括粒子能量和入射時間等信息。同時，電子學(xué)單元實時巡檢SRAM器件邏輯，若發(fā)生翻轉(zhuǎn)，可獲取SRAM發(fā)生翻轉(zhuǎn)的邏輯地址(位置)，即實現(xiàn)導(dǎo)致SRAM發(fā)生翻轉(zhuǎn)的入射高能粒子的甄別與邏輯位置定位。通過激光模擬單粒子試驗獲取SRAM器件物理翻轉(zhuǎn)位置，并與邏輯位置比對。系統(tǒng)信號流如圖2所示，其包括硅探測器、前端信號處理電路、偏置電源、二次電源變換電路、信號調(diào)理濾波電路、高速A/D轉(zhuǎn)換電路、粒子甄別觸發(fā)電路、SRAM SEU巡檢電路、FPGA配置電路、通信電路等。

圖2 系統(tǒng)的信號流圖Fig.2 Signal flow of system

3 位置靈敏探測器

如圖3所示，樣機使用的位置靈敏探測器是硅PIN型的半導(dǎo)體粒子探測器，由北京大學(xué)研制。劃分為4×4的柵格，按照“Z”字型進行柵格編號，并與16個測量通道逐一對應(yīng)。各柵格為邊長為4.5 mm的正方形，厚度為300 μm。

圖3 硅探測器封裝視圖Fig.3 Package view of silicon detector

為保障柵格單元正常工作在高電壓下，設(shè)計了半徑為0.3 mm的圓角，每個相鄰柵格間距為0.1 mm。探測器采用PCB板封裝形式，雙面鏤空，通過金絲壓焊，將硅探測器柵格與PCB的焊盤連接。經(jīng)過測量，硅探測器實際尺寸為4.54 mm，粒子入射位置分辨率由硅探測器尺寸決定，因此粒子入射位置空間分辨率為4.54 mm，達到位置分辨率優(yōu)于5 mm的指標要求。

4 電子學(xué)設(shè)計

系統(tǒng)電子學(xué)位置靈敏和能量測量的設(shè)計路線是：首先經(jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過主放調(diào)節(jié)濾波后通過多道高速A/D轉(zhuǎn)換、運算，結(jié)合高速比較器進行粒子觸發(fā)甄別，實現(xiàn)單粒子的能量和位置甄別運算；目標器件的SEU巡檢電路是通過邏輯比較技術(shù)判斷SEU事件。

4.1 前置放大電路

偏置電源Vbias由探測器的偏壓范圍決定，本文設(shè)計為60 V。由于硅探測器的輸出信號非常微弱，對噪聲很敏感，所以硅探測器的偏置電源需經(jīng)過濾波處理，設(shè)計了一個π型無源濾波網(wǎng)絡(luò)，形成一個窄帶帶通濾波器，中心頻帶約為75 kHz，帶寬范圍約為0.6 kHz，濾除開關(guān)電源的高頻和低頻噪聲。U1選用JFET輸入級的運算放大器，具有低噪聲、高帶寬的特點。D1為簡化的硅探測器，高壓反偏后輸出電流(電荷)信號，經(jīng)過積分電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號，積分時間由R3和C4決定。實用設(shè)計電路如圖4所示。

4.2 主放和信號調(diào)理電路

前置放大電路經(jīng)過U2組成主放電路，電阻R4=R6=49.9 Ω，作用是高頻信號阻抗匹配，防止接大電阻時信號反射；同時U2電路通過CR和RC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)脈沖波形的成形，所以經(jīng)過信號放大、脈沖成型、極零相消后V2點處輸出波形的電壓范圍為0～2 V、半高寬為3～7 μs。然后經(jīng)過跟隨電路和偏置電路，V3點處輸出-1～1 V電壓，其中VCC_1V偏置電壓通過LDO變換而得。關(guān)于波形主放和信號調(diào)理實用電路如圖4所示。

圖4 信號主放和調(diào)理電路Fig.4 Main signal amplifier and adjust circuit

4.3 多道波形信號尋峰電路

1)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

一般尋峰測量技術(shù)包括峰值保持模擬測量方法和高速ADC波形數(shù)字化方法[6]。本系統(tǒng)中粒子信號波形經(jīng)過前級的放大成型為一個約5 μs半高寬的正脈沖，且如果選用峰值保持方案時，多個測量通道的系統(tǒng)功率會很大。所以選擇波形數(shù)字化方案，電路要求選用分辨率≥1位、帶寬>300 MHz、轉(zhuǎn)化速率>50 MSPS的高速ADC，才能更好地實現(xiàn)尋峰性能(原理樣機選用AD9649BCPZ-80[7]設(shè)計)。一般高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器件是差分輸入形式，每片ADC的輸入級通過差分ADC驅(qū)動器AD8138S將單端模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為差分輸出信號。基于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單通道波形高速采集電路如圖5所示。

圖5 單通道波形高速采集電路Fig.5 High speed acquisition circuit of single channel signal waveform

2)多道時鐘管理單元

高速ADC對時鐘非常敏感，主要體現(xiàn)在時鐘的低噪聲、低抖動和方波方面，本系統(tǒng)選用多片高速ADC，所以設(shè)計了一個時鐘管理電路，用于扇出多路高性能時鐘。系統(tǒng)采用低抖動、高精度晶體振蕩器作為時鐘源，然后經(jīng)過一個變壓器耦合變換為差分時鐘，再通過具有低抖動特性的高性能時鐘扇出集成電路和多路差分時鐘(原理樣機選用CDCLVD1216[8]設(shè)計)，多道時鐘管理電路如圖6所示。

圖6 多道時鐘管理電路Fig.6 Multichannel clock management circuit

4.4 粒子到達時間及觸發(fā)電路

粒子到達硅探測器的精確時間也是系統(tǒng)的一個重要指標，用于甄別和分辨某時刻到達探測器的粒子能量。圖7為時間觸發(fā)電路，其觸發(fā)電路V4與圖4中的輸出V3對應(yīng)連接，首先經(jīng)過一個倍數(shù)調(diào)節(jié)電路，然后該波形電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638可編程產(chǎn)生的閾值電壓經(jīng)過高速比較器RHR801比較，得到粒子到達的觸發(fā)標記，并按照本地時間記錄粒子到達觸發(fā)的時間。

圖7 時間觸發(fā)電路Fig.7 Time triggered circuit

4.5 SRAM型器件SEU檢測電路

SRAM型器件包括SRAM、FPGA、Soc等，對單粒子較敏感，易發(fā)生SEU事件。一般SRAM型器件的SEU檢測是基于數(shù)據(jù)回讀比對的方法[9]，本系統(tǒng)SEU目標器件采用SRAM，SRAM的容量不宜選擇太大，否則因為邏輯位地址和邏輯位太多而導(dǎo)致回讀周期較長。原理樣機中選用32k×8 bit的HM62256B(實際空間應(yīng)用時可選用抗輻照器件，如B7156ARH)，器件開蓋裸露出內(nèi)部晶圓體。根據(jù)文獻[10]，每次最大讀寫訪問時間為70 ns，所以周期巡檢時間T=2.29 ms。由于HM62256B是5 V供電，所以在SRAM的地址、數(shù)據(jù)和控制端與FPGA之間增加1片電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器，實現(xiàn)5 V和3.3 V之間的電平轉(zhuǎn)換。

SRAM SEU檢測電路的基本原理是：FPGA以SRAM讀寫的最大速率向SRAM的地址范圍(000000000000000～FFFFFFFFFFFFFFF)中寫入循環(huán)累加的8位數(shù)，然后從SRAM中讀出，并與寫入的數(shù)據(jù)進行作差比對。如果出現(xiàn)“1”，則證明某地址下的某個邏輯位發(fā)生SEU；如果出現(xiàn)“0”，則證明某地址下的某個邏輯位未發(fā)生SEU。最后將檢測出差值為“1”的邏輯地址和邏輯位作為遙測數(shù)據(jù)下傳。

4.6 控制與數(shù)據(jù)處理單元

1)數(shù)據(jù)采集控制與通信

系統(tǒng)選用單片F(xiàn)PGA BQR2V3000作為主控模塊，外圍配置Flash、晶振、系統(tǒng)復(fù)位電路，主串配置方式。采用RS-422進行數(shù)據(jù)通信，波特率為115 200 bps。

2)FPGA邏輯編碼設(shè)計

FPGA邏輯功能設(shè)計如圖8所示，外部晶振產(chǎn)生的時鐘經(jīng)過FPGA的DCM生成多個模塊的激勵時鐘。SRAM讀取模塊將接收注入及SRAM數(shù)據(jù)回讀指令，向SRAM配置寫入數(shù)據(jù)，然后巡檢翻轉(zhuǎn)時間、地址和位，回讀數(shù)據(jù)后通過FIFO緩存。高速A/D轉(zhuǎn)換電路通過配置控制模塊和16個通道的脈沖判讀及統(tǒng)計處理，產(chǎn)生的觸發(fā)時間/峰值經(jīng)過FIFO緩存，產(chǎn)生的脈沖計數(shù)直接送入數(shù)據(jù)打包和發(fā)送模塊。FPGA接收高速比較器觸發(fā)的信號，用于甄別粒子信號的到來，當(dāng)信號到來時才開始尋峰和時間采集處理。FPGA接收遙控參數(shù)，經(jīng)過DAC模塊處理后可修改脈沖觸發(fā)電路閾值。所有FIFO的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)打包和發(fā)送模塊處理，最后通過UART模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。由于系統(tǒng)具有16個測量通道，且信號需實時高速傳輸，遙測參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，而RS422以最大速率115 200 bps傳輸較難實現(xiàn)。考慮到輻照單粒子是隨機的，為減小數(shù)據(jù)傳輸效率，采取分包傳輸?shù)牟呗?，包含粒子信息的?shù)據(jù)分為遙測包1和遙測包2，SRAM SEU數(shù)據(jù)分為遙測包3和遙測包4。

圖8 FPGA邏輯功能模塊設(shè)計框圖Fig.8 FPGA logic function module design block diagram

粒子信息數(shù)據(jù)分包傳輸?shù)木唧w方法為：如果判斷有脈沖觸發(fā)，則按遙測包1傳輸，遙測參數(shù)包含通道號、脈沖峰值電壓、脈沖到達時刻、單位秒時間脈沖計數(shù)、總脈沖計數(shù)和累積翻轉(zhuǎn)計數(shù)；若判斷未出現(xiàn)脈沖觸發(fā)，則按遙測包2傳輸，遙測參數(shù)全填充“0”。SRAM SEU分包傳輸?shù)木唧w方法為：如果檢測有邏輯位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則按遙測包3傳輸，遙測參數(shù)包含翻轉(zhuǎn)時間、地址、位；如果檢測沒有邏輯位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則按遙測包4傳輸，遙測參數(shù)全填充“0”。

5 樣機系統(tǒng)測試

5.1 原理樣機結(jié)構(gòu)布局

原理樣機采用分層設(shè)計思路，包含3塊電路板，從上往下分別是偏置電壓變換電路板、探測器前置放大電路板、后端數(shù)據(jù)采集與控制電路板。硅探測器安裝于前置放大電路板中心位置，機殼蓋板設(shè)計60°的張角開孔，開孔屏蔽體一直延伸到前端板中心鏤孔附近，這種設(shè)計可屏蔽高能粒子對開口附近板上其他元器件造成的損傷，并通過反射將入射視窗的粒子能全部打到探測器上，原理樣機外觀視圖如圖9所示。

圖9 原理樣機外觀視圖Fig.9 Appearance view of principle prototype

5.2 樣機指標測試及試驗

1)最大計數(shù)率及SRAM翻轉(zhuǎn)巡檢周期時間分辨率測試

在實驗室環(huán)境，由信號發(fā)生器單次連續(xù)觸發(fā)產(chǎn)生10k個幅值為0.22 V脈沖信號，加載到電子學(xué)單元的其中一個輸入通道上，測得實際讀出也為10k個脈沖計數(shù)，如圖10所示。

圖10 單粒子最大計數(shù)率測試Fig.10 Maximum single particle count rate test

向SRAM器件的地址中循環(huán)寫入累加數(shù)，首地址寫入0x0000、末地址寫入0x7FFF，而比對的首末地址分別為0x0001和0x7FFE，這樣就可檢出首末地址的時間值，時間差作為整個器件的巡檢周期時間。表1列出了SRAM翻轉(zhuǎn)巡檢周期的時間分辨率，根據(jù)測試結(jié)果，確定SRAM器件的巡檢周期時間為13.76 ms。

表1 SRAM翻轉(zhuǎn)巡檢周期的時間分辨率Table 1 SUE detection cycle time resolution of SRAM

2)質(zhì)子輻照試驗

質(zhì)子及重離子引起SEU效應(yīng)在本質(zhì)上相同，質(zhì)子直接電離沉積的能量能引起SRAM的SEU效應(yīng)[12-13]。2020年6月19日，在西北核技術(shù)研究所200 MeV質(zhì)子輻照實驗平臺上開展了質(zhì)子能量響應(yīng)試驗，試驗分別在10、20、40、60、80、100 MeV能量下進行測試。加速器直接引出的束流能量為60 MeV和100 MeV，其他能量通過鋁板減速獲得。圖11為探測器系統(tǒng)對10、20、40、60、80、100 MeV質(zhì)子的能譜響應(yīng)曲線。

圖11 10～100 MeV能量范圍質(zhì)子對系統(tǒng)的響應(yīng)標定Fig.11 Response of system calibration by proton with energy in range of 10-100 MeV

通過上述數(shù)據(jù)，可得到質(zhì)子各能量對應(yīng)的峰值及對應(yīng)的道址，結(jié)合硅探測器系統(tǒng)標定數(shù)據(jù)，可得到探測器中質(zhì)子LET值的試驗值(圖12)。由圖12可看出，低能質(zhì)子LET值試驗值與理論值的差異較大，高能部分差異較小，這可能主要是因為低能部分質(zhì)子是通過高能質(zhì)子降能得到的，降能之后質(zhì)子能量離散性較大，導(dǎo)致能量測量與實際值差異較大。本試驗驗證了系統(tǒng)可測量的最低LET值達到6.06×10-3MeV·cm2/mg，遠低于1 MeV·cm2/mg。

圖12 系統(tǒng)在10～100 MeV能量質(zhì)子的LET值Fig.12 LET value of test system with proton in energy range of 10-100 MeV

3)激光模擬單粒子試驗

脈沖激光在器件單粒子效應(yīng)研究中具有廣泛的應(yīng)用，可用激光誘導(dǎo)模擬單粒子試驗[14-15]。本次激光模擬單粒子試驗在蘭州空間技術(shù)物理研究所完成，試驗裝置的參數(shù)設(shè)置為：脈寬，30 ps；波長，1 064 nm；能量，10 nJ。激光模擬SEU測試記錄列于表2，試驗結(jié)果包括翻轉(zhuǎn)時間、地址和翻轉(zhuǎn)位以及累計翻轉(zhuǎn)次數(shù)，其驗證了SRAM器件SEU檢測功能有效。

表2 激光模擬SEU測試Table 2 Test of laser simulating SEU

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種SEU甄別與定位系統(tǒng)原理樣機，可用于空間電子產(chǎn)品元器件的在軌SEU檢測應(yīng)用。通過分析設(shè)計、測試和試驗得到空間SEU甄別與定位系統(tǒng)原理樣機的技術(shù)指標為：可探測高能粒子的LET值，≥6.06×10-3MeV·cm2/mg；入射粒子的位置分辨率，優(yōu)于5 mm；最大計數(shù)率，>10 000 s-1；SEU巡檢周期時間分辨率，13.76 ms。原理樣機可用于SRAM型輻照敏感器件的SEU甄別與定位技術(shù)的機理研究，以及為輻射環(huán)境感知防護能力提供工程技術(shù)支撐，也可轉(zhuǎn)化為工程型號產(chǎn)品。