直接数字式频率合成器辐射效应敏感性分析

卢向军，王晓晗，罗宏伟，王小强，费武雄，孙宇，吕宏峰，刘焱

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

直接数字式频率合成器 （DDS：Direct Digital Synthesizer）采用从相位概念出发直接合成所需波形的合成原理，预先将波形各相位与幅值的对应关系储存在高速存储器中，形成一种固化的波形表。理论上可以储存任意形状的波形，常见的波形为正弦波、三角波等。工作时利用高速存储器作查寻表，然后通过集成高速数模转换器、低通滤波器输出已经用数字形式存入的波形。DDS器件具有相对带宽、频率转换时间短，频率分辨率高，输出相位连续，可产生宽带正交信号，以及其他多种调制信号，可编程和全数字化，控制灵活方便等优点，并具有极高的性价比，已在接收机本征、信号发生器、通信系统、雷达系统等方面得到广泛的应用，是实现航天电子系统全数字化的关键器件[1-2]。但是，空间环境中的高能粒子辐射效应，包括总剂量效应、单粒子效应，会使DDS器件性能退化甚至功能失效，严重影响航天器的可靠性和在轨寿命。因此，开展 DDS器件的空间辐射效应分析对于航天电子学的发展有重要意义。

DDS主要由3个部分构成，包括：时钟产生单元锁相环 （PLL）、相位累加，以及相位幅度转换器、DAC输出，其基本构成如图 1所示。下面将从DDS器件的结构出发，对DDS器件的空间辐射效应敏感性进行详细的分析。

图1 DDS基本原理框图

1 DDS器件的总剂量效应敏感性分析

1.1 PLL总剂量敏感性分析

DDS器件中的PLL包括低通滤波器、电荷泵、压控振荡器、除法器和鉴相器。除法器和鉴相器属于数字电路，其亚阈值漏电会随辐照剂量的增加而增大，但只有在很高的剂量水平下才可能发生存储单元或寄存器的翻转。在总剂量环境下，PLL中的低通滤波器、压控振荡器及电荷泵电路更容易受到总剂量效应的损伤，产生性能的退化。对于压控振荡器，总剂量效应会造成输入电压与输出频率的不匹配，从而造成PLL输出时钟的抖动，甚至失锁。电荷泵受总剂量效应的影响可能使得其输出电流变小。因此，总剂量效应对PLL的性能参数的主要影响是导致其锁定时间变长、输出时钟抖动增大、工作范围变窄。当PLL放入DDS时，由于在DDS工作状态确定的情况下，其输入频率一般不变，故锁定时间的变化对用户的影响并不明显，而时钟的抖动则会明显地增加输出信号的无杂散动态噪声。这是由于在DDS工作原理中，输出杂散=20 Log（时钟杂散能量/分频比）。PLL的组成模块总剂量效应模式如表1所示。

表1 PLL的总剂量效应失效模式

1.2 相位累加器及相位幅度转换器总剂量敏感性分析

相位累加器及相位幅度转换器是纯CMOS数字电路，由库单元综合生成。对于纯CMOS数字电路，其电离辐射损伤根本在于γ总剂量辐照将会引起阈值电压向负方向漂移和功耗电流的增加。阈值电压的漂移，以及漏电流的增加都将会引起CMOS电路发生失效。国内外的研究表明，CMOS电路的总剂量失效模式主要有：逻辑功能失效、输入输出高低电平的变化、静态功耗增大和延迟时间增加等 4种[3-4]。

1.3 DAC总剂量敏感性分析

由于DAC中每位的电流由电流镜MOS管的比例大小决定。在深亚微米工艺中，总剂量辐射后漏电主要由场氧区造成，该电流并不随MOS管的尺寸大小而线性变化，所以总剂量辐射后，DAC每位电流不会再精确地保持1：2：4：8…的关系。该现象在频谱上将造成SFDR性能的大幅降低。（窄带SFDR=6.02 dB×实际的有效位宽 +1.76 dB）。因此，总剂量效应导致的阈值电压漂移和亚阈值漏电增大会造成DAC电路的工作点发生漂移使得基准电压或电流发生变化，进而影响到DAC的线性度以及SFDR等指标。

综上所述，DDS的系统时钟、内部偏置电压/电流、DAC的静态/动态参数等受总剂量效应的影响较大，这些影响又可归结为对DDS输出的无杂散动态范围产生干扰，而各部分电路亚阈值漏电的增加可以通过测量全芯片关断功耗的变化来衡量，所以辐照前后DDS输出的无杂散动态范围及关断功耗是总剂量相对较为敏感的参数。

2 DDS单粒子效应敏感性分析

2.1 PLL单粒子敏感性分析

DDS器件中PLL模块的单粒子效应相对比较复杂。国内外的研究文献表明，PLL模拟电路的单粒子瞬时干扰 （SET）与数字电路的单粒子翻转（SEU）会同时存在[5-6]。特别是在电流型电荷泵电路中，SET导致的相位偏差比PLL中其他电路模块的高出至少两个量级。PLL的单粒子效应从现象上可以分为两类：1）造成输出长时间与期望值不同的，如除法器造成的频率改变；2）短时间内的频率波动，如SET及鉴相器的SEU。前者由于是长时间的，对效应测试的速度及实时性效应不高；而后者可能只在输出信号上产生少量的毛刺，故对效应测试系统的实时性要求极高，增加了DDS器件的效应难度。PLL各单元电路结构的单粒子效应失效机理及失效模式如表2所示。

表2 PLL的单粒子效应失效模式

1.2 相位累加器及相位幅度转换器单粒子敏感性分析

在辐照情况下相位累加器及相位幅度转换器是整个DDS中SEU的主要产生源。由于SEU主要产生于寄存器或存储单元中，它的翻转截面与电路中存储单元的数目成正比关系。SEU也可分为两类：1）导致长期失效的；2）短期失效的。假若在频率控制寄存器、相位寄存器、幅度控制寄存器中的值产生了SEU，就可能导致外部输出波形频率、相位或幅值发生变化，而且这种变化发生后，不会自动恢复，导致长期失效。短期失效主要产生于一些每个时钟周期值都会发生变化的寄存器当中，这种短期失效与SET效应现象类似，从测试上难以鉴别。

1.3 DAC单粒子敏感性分析

对于低速DAC器件，其SEU效应对器件的功能影响较为严重；而对于高速DAC器件，SET效应会很突出。SEU主要产生在器件的数字电路部分，SET则主要产生于DAC的模拟电路部分。产生在数字电路部分的SEU根据产生位置的不同，又可能导致两种失效现象：1)导致持续的转换失效，这主要是由于SEU产生于器件的主要控制寄存器中，这种失效在有时又被称之为单粒子功能中断；2）SEU产生于DAC中的输入数字缓冲器等寄存器，这种寄存器的状态在DAC的每个转换周期内都会更新一次，因此，只会在输出上造成一个较大的电压波动。

DDS内部模块众多，不同的模块受到单粒子效应的影响敏感性也不同，但由于其输出为一组固定参数的正弦波形，所以单粒子对其影响总体上都表现为对输出波形的影响。因此，DDS器件的单粒子效应测试主要是测量DAC输出信号与期望值的差异。这种差异主要有两种表现方式：1）持续型；2）瞬时的。单纯依靠对DAC输出信号的监测，很难根据失效现象确定效应的产生位置及其原因，必须与其他的测试方法结合，如对器件电源电流的监测、对内部寄存器及存储器的回读、对PLL输出系统时钟的监测等。

综合分析，单粒子效应对DDS输出波形的影响存在4种类型 （如图2所示），分别为频率改变、相位改变、幅度改变，以及造成输出信号而出现毛刺，进而影响器件在系统中的功能。所以，在理想情况下对DDS器件单粒子效应的在线测试要满足频率、相位和幅度，以及输出波形抖动的测试，尽量覆盖全信息。

图2 单粒子效应对DDS输出波形的影响

3 结束语

DDS器件是实现航天电子系统全数字化的关键器件。从DDS器件的结构出发，对DDS器件的锁相环、相位累加及相位幅度转换器、数模转换器进行了总剂量效应、单粒子效应敏感性分析。分析认为，无杂散动态范围和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，以及输出信号出现毛刺，进而影响器件在系统中的功能。

[1]陈睿，陆妩，任迪远，等.不同偏置条件的10位CMOS模数转换器的辐射效应 [J].原子能科学技术，2010， 44 （10）： 1252-1256.

[2]李茂顺，余学峰，任迪远，等.不同偏置条件下CMOS SRAM的总剂量辐射效应 [J].微电子学，2011，41（1）： 128-132.

[3]赵学谦.锁相环SET效应敏感性分析与设计加固 [D].长沙：国防科学技术大学，2009.

[4]秦军瑞.高频锁相环中单粒子效应失效机理与加固技术研究 [D].长沙：国防科学技术大学，2009.

[5]蒋一，魏骏，李昊.基于DDS的宽带雷达信号产生技术研究 [J].国外电子测量技术，2007（2）：47-49.

[6]苏宏，全闵，于宇，等.直接频率合成器双路上变频信号产生方法 [J].探测与控制学报，2012，34（6）：68-71.