一種高速時鐘分配電路單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要： 時鐘分配電路是電子系統(tǒng)中信號處理單元參考時鐘及多路時鐘分配的關(guān)鍵元器件，其跟隨系統(tǒng)在宇宙空間中容易受宇宙射線輻照發(fā)生單粒子效應(yīng)，進而影響系統(tǒng)性能指標甚至基本功能。為此，提出一種針對數(shù)字單元翻轉(zhuǎn)的微測試方法，結(jié)合分段存儲技術(shù)完成高速時鐘分配電路的單粒子效應(yīng)的在線測試系統(tǒng)設(shè)計。另外，在HI?13串列加速器與HIRFL回旋加速器上進行了試驗驗證，成功監(jiān)測到單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷等典型單粒子效應(yīng)。最后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合FOM方法進行了電路在軌故障率推算，這對于集成電路研制階段的測試評估與應(yīng)用階段的系統(tǒng)驗證都有重要意義。

關(guān)鍵詞： 單粒子效應(yīng)； 時鐘分配電路； HI?13串列加速器； HIRFL回旋加速器； 單粒子鎖定； 單粒子翻轉(zhuǎn)

中圖分類號： TN47?34" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）10?0057?07

Design of single event effect testing system for high speed clock allocation circuits

Abstract： The clock distribution circuit is a key component for signal processing unit reference clock and multi?channel clock distribution in electronic systems. Its tracking system is prone to single event effects （SEE） caused by cosmic ray irradiation in space， which can affect system performance indicators and even basic functions. On this basis， a micro testing method for digital single?event upsets （SEU） is proposed， and an online testing system for SEE in high?speed clock allocation circuits is designed by combing with segmented storage technology. The experimental verification is conducted on both the HI?13 and the HIRFL. The typical single event testing effects such as SEU， single?event functional interrupt （SEFI） and single?event latch up （SEL） are monitored successfully. The circuit in orbit failure rate was calculated by means of FOM method and experimental data， which is of great significance for the testing and evaluation during the development phase of integrated circuits and the system validation during the application phase.

Keywords： SEE; clock distribution circuit; HI?13 serial accelerator; HIRFL cyclotron accelerator; SEL; SEU

0" 引" 言

空間帶電粒子中有許多成分[1?2]，主要包含來自外空間射向地球的銀河宇宙射線、太陽高能粒子和地球磁場捕獲的高能粒子。其中銀河宇宙射線來自于太陽系以外的宇宙射線，是被星際磁場加速到達地球空間的高能帶電粒子，包含質(zhì)子、α粒子、重離子等[3]；太陽上發(fā)生耀斑時會發(fā)射出高能帶電粒子，主要成分是質(zhì)子、少量的重離子[4]；地球磁場俘獲大量的高能粒子，在地球周圍形成6～7個地球半徑的粒子輻射區(qū)，稱為Van Allen帶，包含質(zhì)子、電子、重離子等[5?7]。在這些帶電粒子中，單粒子效應(yīng)首要關(guān)注的是重離子引起的電離[8?9]，本文所開展的試驗就是模擬宇航空間環(huán)境。

單粒子效應(yīng)是指單個高能粒子穿過集成電路靈敏區(qū)時，造成電路狀態(tài)非正常改變的一種輻射效應(yīng)，常見的單粒子效應(yīng)包括單粒子鎖定（Single?Event Latch up， SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（Single?Event Upset， SEU）、單粒子功能中斷（Single?Event Functional Interrupt， SEFI）等。其中單粒子鎖定是高能粒子入射到電路，導(dǎo)致電路產(chǎn)生異常突變電流，主要發(fā)生于CMOS電路中[10]；單粒子翻轉(zhuǎn)是高能粒子作用于集成電路，使得電路邏輯狀態(tài)發(fā)生異常變化，一般發(fā)生在數(shù)據(jù)存儲或指令相關(guān)電路中；單粒子功能中斷是單個高能粒子導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)，引起的控制回路非破壞性異常[11]。

時鐘分配電路是電子系統(tǒng)中必不可少的部分，能夠準確完成時鐘信號的多路輸出分配，并提供相位噪聲指標卓越的系統(tǒng)時鐘信號，被廣泛應(yīng)用于宇航環(huán)境信號處理系統(tǒng)中的超低噪聲時鐘供給及系統(tǒng)級多片電路時鐘分配管理等方面，也是目前通信衛(wèi)星的關(guān)鍵元器件之一。目前國內(nèi)對時鐘分配電路的單粒子測試系統(tǒng)研究較少，且主要針對SEL判斷，因SEU的復(fù)雜性等，各方學(xué)者依舊進行深入研究。N. M. Khamiclullina等人設(shè)計的單粒子測試系統(tǒng)中雖然引入快速遍歷數(shù)字單元值測試單元，但主要結(jié)合大型ATE設(shè)備采集，并無具體的采集速度提供靈活遍歷指導(dǎo)，且設(shè)備過于龐大，對于重復(fù)開展試驗研究也有一定困難[12]。

本單位研發(fā)團隊設(shè)計的多路時鐘分配電路每個輸出通道都具有靈活的頻率和相位調(diào)節(jié)功能，以及射頻同步特性，通過控制單元可以同步多個輸出時鐘。整套測試系統(tǒng)采用微測試方法，能夠準確提供測量系統(tǒng)遍歷速度，且結(jié)合分段存儲完成長時間監(jiān)測，具有測試參數(shù)靈活、在線、體積小等優(yōu)點。結(jié)合高速多路時鐘分配電路生產(chǎn)工藝條件及設(shè)計結(jié)構(gòu)分析，電路主要存在SEL、SEU、SEFI，通過加速器和高速多路時鐘分配電路進行測試系統(tǒng)驗證，驗證本文設(shè)計的單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)的可靠性和準確性。

1" 高速時鐘單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)原理

1.1" 數(shù)字翻轉(zhuǎn)微測試方法原理

數(shù)字翻轉(zhuǎn)微測試是指通過對數(shù)字寄存器進行遍歷對比，但遍歷輪詢的速度需要結(jié)合實際情況進行測量，微測試示意圖如圖1所示。

由于高速時鐘芯片集成度很高，內(nèi)部數(shù)字電路為百萬門級，即可假設(shè)數(shù)字存儲器所在的MOS管在物理上近似為一個單位點。為了能夠分辨出數(shù)字寄存器翻轉(zhuǎn)變化，即第二次粒子注入前后值，控制系統(tǒng)遍歷存儲數(shù)據(jù)需要滿足的頻率公式如下：

式中：[fin]為測試系統(tǒng)需要的最低遍歷頻率，單位為Hz；[Nreg]為測試單元的數(shù)字寄存器個數(shù)；[Naddr]為寄存器數(shù)據(jù)地址位數(shù)；[Ndata]為寄存器數(shù)據(jù)位數(shù)；[?]為試驗的粒子注量率；[Si]為測試單元各個數(shù)字單元模塊所占據(jù)的面積，單位為[cm2]。

1.2" 在線測試脈沖觸發(fā)與分段存儲原理

波形檢測對于偶發(fā)信號的檢測使用條件觸發(fā)功能，單次偶發(fā)信號一般都是可以滿足需求的。但單粒子測試系統(tǒng)需要考慮信號頻發(fā)且長時間檢測，若通過示波器存儲所有的信號，從中選取需要的偶發(fā)信號進行判定，那么就需要將時基信號拉長，公式為：

記錄時間長度=存儲深度×采樣周期=存儲深度÷采樣頻率" " " （2）

儀器的存儲深度一定時，若時基信號拉長將會導(dǎo)致得到的信號采樣率降低，但對于高精度信號，測試系統(tǒng)需要高采樣率才能滿足設(shè)計需求。

分段存儲是一種舍棄無效時間觸發(fā)存儲技術(shù)。由于存儲高速時鐘波形數(shù)據(jù)全部送入給系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲造成瓶頸，而分段存儲通過舍棄掉死區(qū)時間，觸發(fā)將得到采樣的輸出并存放到各段的存儲空間中，從而可以高效地利用儀器的存儲深度并保證數(shù)據(jù)的細節(jié)，也能夠記錄捕捉足夠多的觸發(fā)事件，以便進行有效的數(shù)據(jù)分析。

分段存儲原理如圖2所示。高速時鐘信號在輻照條件下可能存在時鐘脈寬變化的情況，但是大部分時間的信號為正常信號，測試系統(tǒng)不需要保存這樣的數(shù)據(jù)，即為死區(qū)時間；當出現(xiàn)異常脈寬信號時，觸發(fā)為一幀信號，進行分段保存，然后回放和分析，極大地緩解了存儲空間壓力。

1.3" 時鐘分配電路單粒子效應(yīng)檢測原理

波形檢測在使用高速時鐘分配器測量單粒子效應(yīng)時，需要結(jié)合參試電路的實際條件，以避免錯誤測試參數(shù)的增加，否則將使得測試系統(tǒng)過于臃腫。結(jié)合本次選擇的參試電路工藝和設(shè)計結(jié)構(gòu)，主要可能發(fā)生的單粒子效應(yīng)有閉鎖、功能中斷、翻轉(zhuǎn)。

時鐘分配器閉鎖效應(yīng)主要表現(xiàn)為各路電路出現(xiàn)增大至規(guī)定值，故系統(tǒng)需要持續(xù)實時監(jiān)測并記錄器件各路電源電流，判定測試電路電流是否異常。單粒子功能中斷主要體現(xiàn)為試驗過程中若電路電流無明顯變化，但分配器輸出連續(xù)時鐘波形中斷，且需要重新配置寄存器才能恢復(fù)功能，則判定電路發(fā)生功能中斷。單粒子翻轉(zhuǎn)主要表現(xiàn)為可恢復(fù)的單次或多次轉(zhuǎn)換錯誤：一是對于時鐘分配器內(nèi)部寄存器的值，通過微測試方法完成對試驗過程中的電路寄存器值的多次掃描，記錄對比；二是時鐘分配電路設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝方式的特殊判定方式，若時鐘分配電路輸出時鐘發(fā)生一個或數(shù)個時鐘周期的暫時性中斷，則認為電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，可判定一個輸出時鐘異常為一個單粒子翻轉(zhuǎn)事件。

SEU和SEFI示意圖如圖3所示。

2" 高速時鐘單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本次試驗的時鐘分配電路滿足了靈活的高速時鐘多路分配需求，具有超低噪聲時鐘和可編程配置輸出，具體功能原理如圖4所示。時鐘分配電路包含分頻單元、長延時單元、短延時單元、同步控制信號以及模式控制模塊等。測試電路通過將輸入的高頻時鐘信號進行緩沖后，待同步控制信號的控制同時輸入多個通道的時鐘分配器中，每級運算后都有長延時和短延時單元進行流水線型輸出，完成信號同步功能；內(nèi)部分配寄存器數(shù)據(jù)通過同步串行接口進行程序控制，配合分頻計數(shù)模塊可完成信號指定計數(shù)分配功能，分配時鐘輸出為低電壓差分接口形式。

高速多路時鐘分配電路單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)總體原理如圖5所示，主要包含信號激勵系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機控制系統(tǒng)和待測器件（DUT）。

信號系統(tǒng)主要產(chǎn)生接收高速時鐘信號和射頻差分同步信號，通過差分緩沖區(qū)將需要分配的信號穩(wěn)定接入時鐘分配器中；外圍系統(tǒng)通過電平轉(zhuǎn)換，方便后續(xù)控制器采集信號，以及系統(tǒng)需要工作的時鐘電路部分；數(shù)據(jù)采集模塊包含電流電壓檢測，通過回采的值實時判斷測試電流變化情況；高速示波器主要通過實時抓取時鐘分配器的波形，并以分段存儲技術(shù)完成試驗數(shù)據(jù)的存儲，便于后續(xù)試驗分析；系統(tǒng)控制器主要采用FPGA系統(tǒng)完成系統(tǒng)測試的算法編寫、數(shù)據(jù)讀取、原始數(shù)據(jù)存儲與上位機通信等。

2.2" 試驗系統(tǒng)設(shè)計

本文基于HI?13串列加速器設(shè)計的單粒子效應(yīng)在線測試系統(tǒng)主要包括真空輻照室、測量廳和控制廳三大部分，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

控制系統(tǒng)需要遠程執(zhí)行可靠的控制命令和遠程數(shù)據(jù)傳輸功能，具體如下。

1） 將焊接有待測電路（DUT）的試驗板安裝在真空罐內(nèi)試驗臺架上，通過真空罐壁的專用接口將信號線纜連接至測試機（PXIe協(xié)議）上。

2） 選擇好測試模式并配置相關(guān)信息，如：電源板塊兩路輸出對應(yīng)的上拉5%芯片電壓（SEL、SEFI試驗）、下拉5%電壓（SEU試驗）、時鐘板卡輸出1 GHz時鐘信號為時鐘分配電路提供主時鐘等。

3） 在線控制程序使用.NET FRAMEWORK4.5架構(gòu)，通過串口、GPIB口和網(wǎng)口等標準接口協(xié)議與下位機開展控制信號指令的傳輸。

4） 通過LabVIEW軟件獲取各個采集板塊的電流、電壓等數(shù)據(jù)，通過實時電流變化和時鐘輸出等，即可在線觀察判斷是否發(fā)生相應(yīng)的單粒子效應(yīng)。

5） 時鐘翻轉(zhuǎn)計數(shù)主要通過示波器的脈沖寬度觸發(fā)模式捕捉，采用分段存儲技術(shù)在有限的存儲深度范圍內(nèi)盡量記錄更多的異常脈沖。本次試驗主時鐘為1 GHz，采用8分頻模式輸出，正常輸出為125 MHz時鐘波形。設(shè)置捕捉信號脈寬w，設(shè)3.8 nslt;wlt;4.2 ns（5%誤差帶）記為正常波形；若小于3.8 ns或大于4.2 ns記為異常輸出波形并累計統(tǒng)計。

本文主要在HI?13上開展時鐘分配電路的單粒子試驗，粒子射程最低滿足Si中射程30.4 μm，注量率維持在12 000左右，可以通過改變粒子調(diào)節(jié)多種線性傳輸能量值（LET），實現(xiàn)多種LET值的試驗。本次試驗LET值最高可達37 MeV·cm2/mg。對于大于75 MeV·cm2/mg的LET值，則選擇蘭州近代物理研究所的HIRFL加速器，進行在線試驗測試，以上試驗于2023年1月、6月在中國近代物理研究所和中國原子能科學(xué)研究院進行。試驗現(xiàn)場測試板如圖7所示。

3" 結(jié)果與分析

3.1" SEL和SEFI

時鐘分配電路配置好工作狀態(tài)以后，正常電流為730 mA左右。束流注入大概一段時間后，電流開始持續(xù)下降（原因是部分內(nèi)部寄存器翻轉(zhuǎn)），下降到600 mA左右后，輸出時鐘波形發(fā)生畸變，此時通過程控軟復(fù)位，電流及時鐘波形可以恢復(fù)，恢復(fù)后，試驗一段時間后電流又持續(xù)下降；經(jīng)過多次復(fù)位，粒子注量累計到6.3×106時，電流突然降到150 mA（功能中斷），此時通過程控軟復(fù)位無法恢復(fù)電流，此時關(guān)掉電源，并重新上電后，電流恢復(fù)，時鐘輸出正常。通過回讀寄存器值及分析相關(guān)位功能，判定電路已經(jīng)未正常工作，電路發(fā)生單粒子功能中斷。整個試驗過程中，時鐘分配器的電流均未出現(xiàn)異常增大的情況，電路也未發(fā)生單粒子鎖定。單粒子試驗電流變化圖如圖8所示。

3.2" SEU

輸出波形半個時鐘、1個時鐘丟失情況見圖9，輸出多個時鐘異常、頻率變化圖見圖10。由圖8～圖10可知，電路在試驗過程中檢測到三種現(xiàn)象：一是時鐘輸出波形頻率改變，結(jié)合設(shè)計結(jié)構(gòu)為時鐘分配電路寄存器值，當此值發(fā)生變化，通過回讀寄存器與初始值比較完成翻轉(zhuǎn)計數(shù)；二是時鐘輸出波形頻率不變，中途出現(xiàn)持續(xù)不同時鐘周期的時鐘脈寬異常，即為異常脈寬的翻轉(zhuǎn)，此時，通過累計判定完成電路翻轉(zhuǎn)計數(shù)；三是功能中斷，電流突然降至150 mA，無輸出波形，復(fù)位無法恢復(fù)，關(guān)斷電源并重新上電配置寄存器后，電流及波形恢復(fù)。

在離子注量從0～1×107個ions過程中，電流未出現(xiàn)異常增大，電路也未發(fā)生單粒子閉鎖；電路輸出波形出現(xiàn)中斷，不能自行恢復(fù)，通過程控寄存器復(fù)位，電路功能才能恢復(fù)正常，電路發(fā)生功能中斷；電路寄存器值和時鐘波形發(fā)生變化，該電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，累計翻轉(zhuǎn)計數(shù)并統(tǒng)計各試驗翻轉(zhuǎn)，結(jié)果如表1所示。

Weibull擬合模型采用式（3）進行計算。擬合的SEU截面如圖11所示。通常擬合的確定系數(shù)越接近1（預(yù)測數(shù)據(jù)與原始均值之差的平方和），說明擬合效果越好。擬合公式如下：

[FL=A[1-exp[-（k（L-L0））S]]]" "（3）

本次Weibull擬合的確定系數(shù)為0.996 5，擬合模型對飽和截面進行了一個數(shù)量級的范圍放寬和擬合，而非傳統(tǒng)的采用極限截面值作為測試電路的飽和截面值。

通過FOM方法估算在軌翻轉(zhuǎn)率[13?14]，公式如下：

式中：[L0.25]為飽和截面[Csm]的25%處的特征值，通過飽和截面曲線可知，約為8.958 MeV·cm2/mg；K為環(huán)境相關(guān)系數(shù)（軌道翻轉(zhuǎn)率系數(shù)），環(huán)境相關(guān)系數(shù)采用同步軌道太陽最小年情況下的K值（K=200），計算出的翻轉(zhuǎn)率為6.36 ×[10-4cm2/b]。

4" 結(jié)" 語

經(jīng)過本文測試系統(tǒng)試驗驗證，獲取了高速多路時鐘分配電路抗單粒子特性：沒有發(fā)生電流突然增大的單粒子閉鎖效應(yīng)，但是發(fā)生了數(shù)字控制單元的單粒子翻轉(zhuǎn)和輸出波形的單粒子功能中斷效應(yīng)。后續(xù)結(jié)合試驗數(shù)據(jù)將進一步驗證分析，從電路設(shè)計和系統(tǒng)驗證兩方面提高電路抗單粒子效應(yīng)的能力，最后通過FOM方法預(yù)估電路在軌翻轉(zhuǎn)率。通過單粒子試驗驗證了本文設(shè)計的單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)的準確性和可靠性，并指導(dǎo)時鐘分配電路等通用集成電路的單粒子效應(yīng)測試。這不僅為集成電路抗輻照效應(yīng)的測試提供支持，并能夠為特定應(yīng)用場景需求提供方法指導(dǎo)。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展和使用環(huán)境要求的提升，會給單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)，只有不斷地改進測試系統(tǒng)，才能適應(yīng)和面對更加復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境需求。

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