一種高速時鐘分配電路單粒子效應測試系統設計

摘" 要： 時鐘分配電路是電子系統中信號處理單元參考時鐘及多路時鐘分配的關鍵元器件，其跟隨系統在宇宙空間中容易受宇宙射線輻照發生單粒子效應，進而影響系統性能指標甚至基本功能。為此，提出一種針對數字單元翻轉的微測試方法，結合分段存儲技術完成高速時鐘分配電路的單粒子效應的在線測試系統設計。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，成功監測到單粒子翻轉、單粒子功能中斷等典型單粒子效應。最后根據試驗數據并結合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用階段的系統驗證都有重要意義。

關鍵詞： 單粒子效應； 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

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，包含質子、α粒子、重離子等[3]；太陽上發生耀斑時會發射出高能帶電粒子，主要成分是質子、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，稱為Van Allen帶，包含質子、電子、重離子等[5?7]。在這些帶電粒子中，單粒子效應首要關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境。

單粒子效應是指單個高能粒子穿過集成電路靈敏區時，造成電路狀態非正常改變的一種輻射效應，常見的單粒子效應包括單粒子鎖定（Single?Event Latch up， SEL）、單粒子翻轉（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，導致電路產生異常突變電流，主要發生于CMOS電路中[10]；單粒子翻轉是高能粒子作用于集成電路，使得電路邏輯狀態發生異常變化，一般發生在數據存儲或指令相關電路中；單粒子功能中斷是單個高能粒子導致翻轉，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時鐘信號，被廣泛應用于宇航環境信號處理系統中的超低噪聲時鐘供給及系統級多片電路時鐘分配管理等方面，也是目前通信衛星的關鍵元器件之一。目前國內對時鐘分配電路的單粒子測試系統研究較少，且主要針對SEL判斷，因SEU的復雜性等，各方學者依舊進行深入研究。N. M. Khamiclullina等人設計的單粒子測試系統中雖然引入快速遍歷數字單元值測試單元，但主要結合大型ATE設備采集，并無具體的采集速度提供靈活遍歷指導，且設備過于龐大，對于重復開展試驗研究也有一定困難[12]。

本單位研發團隊設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節功能，以及射頻同步特性，通過控制單元可以同步多個輸出時鐘。整套測試系統采用微測試方法，能夠準確提供測量系統遍歷速度，且結合分段存儲完成長時間監測，具有測試參數靈活、在線、體積小等優點。結合高速多路時鐘分配電路生產工藝條件及設計結構分析，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驗證，驗證本文設計的單粒子效應測試系統的可靠性和準確性。

1" 高速時鐘單粒子效應測試系統原理

1.1" 數字翻轉微測試方法原理

數字翻轉微測試是指通過對數字寄存器進行遍歷對比，但遍歷輪詢的速度需要結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，內部數字電路為百萬門級，即可假設數字存儲器所在的MOS管在物理上近似為一個單位點。為了能夠分辨出數字寄存器翻轉變化，即第二次粒子注入前后值，控制系統遍歷存儲數據需要滿足的頻率公式如下：

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

1.2" 在線測試脈沖觸發與分段存儲原理

波形檢測對于偶發信號的檢測使用條件觸發功能，單次偶發信號一般都是可以滿足需求的。但單粒子測試系統需要考慮信號頻發且長時間檢測，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致得到的信號采樣率降低，但對于高精度信號，測試系統需要高采樣率才能滿足設計需求。

分段存儲是一種舍棄無效時間觸發存儲技術。由于存儲高速時鐘波形數據全部送入給系統，數據存儲造成瓶頸，而分段存儲通過舍棄掉死區時間，觸發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據的細節，也能夠記錄捕捉足夠多的觸發事件，以便進行有效的數據分析。

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，測試系統不需要保存這樣的數據，即為死區時間；當出現異常脈寬信號時，觸發為一幀信號，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時，需要結合參試電路的實際條件，以避免錯誤測試參數的增加，否則將使得測試系統過于臃腫。結合本次選擇的參試電路工藝和設計結構，主要可能發生的單粒子效應有閉鎖、功能中斷、翻轉。

時鐘分配器閉鎖效應主要表現為各路電路出現增大至規定值，故系統需要持續實時監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為試驗過程中若電路電流無明顯變化，但分配器輸出連續時鐘波形中斷，且需要重新配置寄存器才能恢復功能，則判定電路發生功能中斷。單粒子翻轉主要表現為可恢復的單次或多次轉換錯誤：一是對于時鐘分配器內部寄存器的值，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計結構和工藝方式的特殊判定方式，若時鐘分配電路輸出時鐘發生一個或數個時鐘周期的暫時性中斷，則認為電路發生翻轉，可判定一個輸出時鐘異常為一個單粒子翻轉事件。

SEU和SEFI示意圖如圖3所示。

2" 高速時鐘單粒子效應測試系統設計

2.1" 硬件系統設計

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；內部分配寄存器數據通過同步串行接口進行程序控制，配合分頻計數模塊可完成信號指定計數分配功能，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測試系統總體原理如圖5所示，主要包含信號激勵系統、數據采集系統、上位機控制系統和待測器件（DUT）。

信號系統主要產生接收高速時鐘信號和射頻差分同步信號，通過差分緩沖區將需要分配的信號穩定接入時鐘分配器中；外圍系統通過電平轉換，方便后續控制器采集信號，以及系統需要工作的時鐘電路部分；數據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，并以分段存儲技術完成試驗數據的存儲，便于后續試驗分析；系統控制器主要采用FPGA系統完成系統測試的算法編寫、數據讀取、原始數據存儲與上位機通信等。

2.2" 試驗系統設計

本文基于HI?13串列加速器設計的單粒子效應在線測試系統主要包括真空輻照室、測量廳和控制廳三大部分，結構如圖6所示。

控制系統需要遠程執行可靠的控制命令和遠程數據傳輸功能，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協議）上。

2） 選擇好測試模式并配置相關信息，如：電源板塊兩路輸出對應的上拉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，通過串口、GPIB口和網口等標準接口協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、電壓等數據，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生相應的單粒子效應。

5） 時鐘翻轉計數主要通過示波器的脈沖寬度觸發模式捕捉，采用分段存儲技術在有限的存儲深度范圍內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。設置捕捉信號脈寬w，設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節多種線性傳輸能量值（LET），實現多種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研究院進行。試驗現場測試板如圖7所示。

3" 結果與分析

3.1" SEL和SEFI

時鐘分配電路配置好工作狀態以后，正常電流為730 mA左右。束流注入大概一段時間后，電流開始持續下降（原因是部分內部寄存器翻轉），下降到600 mA左右后，輸出時鐘波形發生畸變，此時通過程控軟復位，電流及時鐘波形可以恢復，恢復后，試驗一段時間后電流又持續下降；經過多次復位，粒子注量累計到6.3×106時，電流突然降到150 mA（功能中斷），此時通過程控軟復位無法恢復電流，此時關掉電源，并重新上電后，電流恢復，時鐘輸出正常。通過回讀寄存器值及分析相關位功能，判定電路已經未正常工作，電路發生單粒子功能中斷。整個試驗過程中，時鐘分配器的電流均未出現異常增大的情況，電路也未發生單粒子鎖定。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象：一是時鐘輸出波形頻率改變，結合設計結構為時鐘分配電路寄存器值，當此值發生變化，通過回讀寄存器與初始值比較完成翻轉計數；二是時鐘輸出波形頻率不變，中途出現持續不同時鐘周期的時鐘脈寬異常，即為異常脈寬的翻轉，此時，通過累計判定完成電路翻轉計數；三是功能中斷，電流突然降至150 mA，無輸出波形，復位無法恢復，關斷電源并重新上電配置寄存器后，電流及波形恢復。

在離子注量從0～1×107個ions過程中，電流未出現異常增大，電路也未發生單粒子閉鎖；電路輸出波形出現中斷，不能自行恢復，通過程控寄存器復位，電路功能才能恢復正常，電路發生功能中斷；電路寄存器值和時鐘波形發生變化，該電路發生單粒子翻轉，累計翻轉計數并統計各試驗翻轉，結果如表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越接近1（預測數據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擬合的確定系數為0.996 5，擬合模型對飽和截面進行了一個數量級的范圍放寬和擬合，而非傳統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為環境相關系數（軌道翻轉率系數），環境相關系數采用同步軌道太陽最小年情況下的K值（K=200），計算出的翻轉率為6.36 ×[10-4cm2/b]。

4" 結" 語

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

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