典型电子系统总剂量效应行为级仿真

马武英， 何宝平， 刘林月， 郭红霞， 欧阳晓平

(1.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049； 2.强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室(西北核技术研究所)，陕西 西安 710024)

航天电子系统中的电子器件不可避免地要遭受空间辐射环境中粒子辐射的影响，从而造成电子器件性能退变、甚至导致功能失效，严重威胁航天电子系统的可靠性[1-2]。仿真建模手段的应用，对辐射环境中电子器件/系统辐射效应、损伤机理和加固技术研究均有事半功倍的效果。学者对电子器件总剂量效应仿真技术研究较为关注，已有大量关于电子器件总剂量效应仿真技术研究的报道[3-5]。利用TCAD (technology computer aided design)从晶体管级开展总剂量效应仿真建模，表征氧化层中辐射感生产物对器件性能的影响机制；基于模拟电路仿真系统(simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE)的电路级总剂量效应仿真，在获取晶体管级辐射效应模型的基础上，研究器件/电路层级的辐射响应规律，对于简单数字或模拟器件，基于SPICE总剂量效应仿真建模能获得较好的效应规律和潜在的损伤机制。但随着系统规模的增大以及典型的电子系统、及混合信号器件中常包含有模拟电路和数字电路，系统中各元器件辐射效应规律复杂，基于SPICE从晶体管级出发进行总剂量效应仿真，要花费大量人力和时间，且需反复执行仿真才能获得器件参数退化与总剂量关系[6-8]。因此，为了满足辐射环境中电路/系统抗辐射性能预估和系统抗辐射加固设计需求，急需一种新的仿真手段解决系统总剂量效应仿真面临问题。基于数字/模拟混合硬件描述语言(VHSIC(very high speed integrated circuits) hardware description language-analog mixed signal, VHDL-AMS)的行为级建模在电子系统总剂量效应仿真研究方面具有较好的应用前景，主要表现在以下几方面：端口可包含电学特性，具有较好的仿真精度；更高级别的抽象模型，模型的建立过程可不依赖于器件内部结构；对于复杂器件/系统，可大大的缩短仿真所需时间。

本文梳理了系统级总剂量效应行为级仿真建模的基本思路，以典型电子器件载体，从不同维度建立其总剂量效应行为级仿真模型，并利用典型电子系统进行了仿真和试验验证。相关研究成果对于核辐射环境中电子系统抗辐射加固设计和损伤预估具有重要参考意义。

1 典型器件总剂量模型建立

器件总剂量效应响应与其在系统中所处的偏置状态及遭受辐射时的剂量率有关，同时不同类型器件的又会呈现出不同的辐射效应规律。此外，电子系统自身复杂性又会给系统辐射效应建模增加了难度。采用“逐层次、分模块”方式是解决系统辐射效应建模的关键。“逐层次”指的是系统中各器件辐射效应参数获取过程可通过逐层次方式，从晶体管级效应模型-子电路模型-器件效应模型的方式。而“分模块”指的是在辐射效应建模时可根据系统功能架构进行划分，如数字电路模块、模拟电路和混合信号模块等，可按照各模块在电路中的功能作用，分模块建立各自仿真模型，一般遵循数字电路采用VHDL语言描述，无源器件或抗辐射性能较高的模拟电路采用SPICE模型，混合型号电路或者抗辐射性能较弱的模拟电路采用VHDL-AMS语言建立其总剂量效应模型。基于VHDL-AMS语言的行为级辐射效应建模的具体思路如图1所示。

系统中电子器件总剂量效应行为级仿真模型的建立有多种手段，可基于试验数据进行模型提取，将效应规律植入到器件行为级模型；可采用逐层次方式，从晶体管总剂量效应模型搭建器件SPICE模型来获取，还可通过“分模块”方式来建立，下面以典型模拟和混合型号器件为主要载体给出辐射效应建模基本流程。

图1 行为级仿真建模流程Fig.1 Process of behavior level simulation

1.1 基于实验数据的总剂量效应建模

对于典型模拟器件-运算放大器的总剂量效应行为级仿真模型，本文采用基于试验数据方式进行建模。首先，利用VHDL-AMS语言建立运算放大器的宏模型，其主要分3级，一般由输入级、中间级、输出级3个环节组成，宏模型等效电路如图2所示。

图2 运算放大器等效VHDL-AMS模型Fig.2 equivalent behavior model for operational amplifier

输入电组和失调电压源共同组成了输入级，输出级由电阻网路进行分压输出，实现不同驱动能力功能。运算放大器的频率响应特性主要决定于中间的级电阻、电容。通过压摆率(slew rate, SR)可获得中间级电容Cm与最大电流供电imax的关系表达式[6]：

(1)

增益带宽积(gain band width，GBW)定义为开环增益与该增益的测试点频率的乘积，则可推出开环极点频率fp为：

(2)

式中Avol表示开环增益。同时可知中间级电阻Rm和极点频率、中间级电容的关系为：

(3)

运算放大器总剂量效应行为级仿真模型基于实验数据建立，在提取辐射敏感参数随总剂量变化规律的基础上，通过在宏模型中增加相应的理想电阻和电压源来实现对辐照后敏感参数退化规律的模拟。典型双极运算放大器在总剂量辐照后，偏置电流、失调电压以及输出级驱动电流是辐照敏感参数。因此，行为级总剂量效应模型必须包含这些参数的退化规律，例如对于敏感参数偏置电流，建模时可基于实验数据拟合出累积总剂量与偏置电流的函数关系，从而获得行为级模型中输入电阻与总剂量之间函数关系，将该函数关系代入到运放放大器的行为级模型即可获得偏置电流总剂量效应行为级仿真模型。图3给出了典型双极运算放大器uA741偏置电流(input bias current，IB)随总剂量变化规律，辐照剂量率为0.5 Gy(Si)/s。采用线性拟合即可获得IB的变化率与总剂量关系：

同理，也可以获得辐射敏感参数失调电压、输出级驱动能力等敏感参数和总剂量的函数关系，通过修改模型中相应的输入级电压源或输出级电路电阻值，即可获得运算放大器在不同总剂量下的辐射效应模型。

图3 运算放大器偏置电流随总剂量变化规律Fig.3 The IB of operational amplifier as a function of total ionizing dose

1.2 基于逐层级方法的总剂量效应建模

电压比较器的总剂量效应具有明显的偏置相关性，其行为级仿真模型不同于运算放大器，涉及到连续模拟量的判断和离散量的输出。因此，在模型内部引入了时钟触发判断的过程，实时监测比对正负输入端模拟量的值。由于比较器的辐射效应规律与偏置条件具有很强的依赖性，在其总剂量效应模型中，对比较器的失调电压与累积总剂量、偏置条件的关系进行行为级描述，将比较器的2个输入电压值(Vn/Vp)进行矩阵式量化，从而实现比较器在不同偏置条件、不同总剂量下的辐射响应特性的建模。比较器在不同偏置条件下的辐射效应规律通过HSPICE建模仿真获得[9-12]。对于MOS工艺晶体管，在HSPICE建模过程中，引入辐射感生产物对阈值电压的影响，而辐射感生产物的形成受电场、总剂量和剂量率等因素的影响。电离辐射过程中，辐射产生的空穴在向Si/SiO2界面输运, 被氧化层内的空穴陷阱俘获, 形成辐射诱导氧化层陷阱电荷[12]，该过程可描述为：

式中：Not是俘获的空穴密度，cm-2；NT是空穴陷阱密度，cm-2；σp是空穴的俘获截面，cm-2；fp为空穴通量；τ代表俘获空穴的消失常数。假设氧化物陷阱电荷没有达到饱和、没有发生退火、NT空穴陷阱密度远大于Not俘获的空穴密度的情况下，可推导出：

(4)

(5)

式中：σit是Si-H键对质子的俘获截面；fH是通过界面的质子流；NSiH和Nit是Si-H键密度和界面态密度；τPb是界面陷阱电荷的退火时间。假定在Si/SiO2界面处H+没有与来自Si衬底的电子中和，而是直接与Si-H 键反应。可推到出界面陷阱和氧化层电场、辐照时间及辐照剂量率的关系：

(6)

因此，MOS器件在辐照后阈值电压的漂移是辐射诱导氧化层陷阱电荷和界面态共同作用的结果，其可用下式表示：

将上式植入SPICE模型中即可获得辐照后晶体管阈值电压参数退化与电场、剂量率及时间的关系建模，利用该晶体模型很容易获得器件级的总剂量效应损伤规律。

1.3 基于分模块方法的混合信号器件建模

在混合信号器件建模时，本文采用基于内部架构的分层次、模块建模方法。以8位串并行模数转换器为载体[13]，在建模过程中采取分模块建模，随后将各模块按内部结构图进行组合，各辐射敏感模块包含相应辐射效应信息，从而获得8位串并型模数转换器的辐射效应模型。在该模数转化器建立过程中，由于比较器失调电压的变化对模数转换器的精度变化起决定性作用，因此，模型中是辐射敏感模块，其余译码电路和模拟选通网络等其受辐射影响为非线性变化，建模过程中对其功能进行描述。电阻网络和比较器网络按照结构组建，各个连接节点电压电流通过基尔霍夫定量和欧姆定律求解，比较器总剂量模型采用上部分1.2节建立的辐射模型。8位串并行模数转换器的辐射响应将随着其内部各个模块的辐射响应而发生变化，同时8位模数转换器的偏置条件将决定内部各个模块的辐射响应。

为了研究不同偏置条件下模数转换器的辐射响应，进一步验证仿真模型的准确性，给建立的模数转换器模型提供4种不同的辐射偏置条件，分别输入为幅值5 V的正弦波信号、输入为0.01 V恒定电压、输入为4.95 V恒定电压值和所有管脚短接接地的零偏偏置条件，并进行性能测试。辐照剂量率为0.1 Gy(Si)/s，采用斜波进行功能测试，仿真结果如图4所示。从仿真结果可以看出，对于建立的8位串并行Flash模数转换器进行数值仿真，工作偏置下的损伤均强于零偏偏置，且在固定输入状态下的辐射损伤，略强于动态偏置条件下。

图4 不同偏置条件下模数转换器斜波测试结果Fig.4 The ramp wave test results of AD converter under different bias

为了进一步验证仿真结果，本文选取TLC公司生产的8位串并行模数转换器TLC0820为试验载体，在西北核技术研究所60Co γ射线源进行辐照，样品的辐照和测试过程中均在器件Read模式下进行，辐照过程中采取4种不同辐照偏置条件，分别为幅值5 V的正弦波信号、输入为0 V恒定电压、输入为4.95 V恒定电压值和所有管脚短接接地的零偏偏置条件。辐照剂量率：0.1 Gy(Si)/s。在累积总剂量为200 Gy(Si)时器件，对器件的辐射效应规律进行离线测试，在不同偏置条件下出现不同的辐射响应。具体表现为：在输入5V 恒定电压值的偏置条件下，当累积总剂量为200 Gy(Si)时，器件辐照后功能测试曲线如图5所示，图中可以看出，在输出低码值时低4位输出变为“0000”，并且随着输出码值的增大，模数转换器低4位输出恢复正常；在输入为0V的偏置条件下辐照时，总剂量辐照后模数转换器的低4位出现明显失码，其输出变成“1111”；在输入幅值为5V、频率为1 kHz的正弦波偏置条件下辐照时，总剂量辐照后模数转换器的在较低码值输出的条件下出现低位失码，输出变为“0000”，并且随着输出码值的增大，失码消失；零偏偏置条件下，器件未发生明显的辐射损伤。

图5 不同偏置条件下模数转换器斜波测试结果Fig.5 The simulation results of AD converter under different bias

对比仿真(图4)和试验结果(图5)，可以看出通过分模块方法能实现混合信号器件总剂量效应模型的建立，且构建的仿真模型具有较好的仿真精度，能够较为准确地预估器件在不同偏置条件下的辐射损伤规律。同时，通过仿真分析可知，串-并行模数转换器内部低位比较器在辐照过程中所处的偏置状态的差异是造成不同偏置条件下辐射损伤不同的主要因素，也是辐射敏感部位，在抗辐射加固设计过程中需要着重考虑。

2 系统总剂量效应实验及行为级仿真建模

电子系统包含多种类型电子器件，而器件的辐射效应规律又决定于器件类型、器件工艺、偏置条件和辐射环境等多种因素。因此，根据系统电子元器件的辐射效应规律对系统进行合理划分是其辐射效应建模的关键，例如总剂量辐照不敏感的电阻、电容和电感等无源器件，仿真过程中采用常规电路模型；对于抗总剂量性能较强的先进纳米集成电路(尺寸为28～130 nm)，在仿真过程中采用VHDL语言描述其功能；对辐射敏感的模拟器件、数模混合信号电路，采用论文第1部分介绍的方法进行建模。为了进一步验证基于VHDL-AMS的行为级仿真方法对系统总剂量效应建模的可行性，采用可插拔方式设计了一款典型的信号处理电子系统，系统架构如图6所示，其中包含了模拟信号采集，数字信号处理和模拟信号输出等功能。利用60Coγ射线对系统开展总剂量效应辐照试验，剂量率0.1 Gy(Si)/s，辐照后系统输出如图7(a)所示。

图6 典型电子系统框图Fig.6 Diagram of a typical electronic system

利用器件的行为级仿真模型搭建系统辐射效应仿真模型，系统总剂量效应仿真过程中，由于电路中数字部分器件(FPGA和存储器)具有较高的抗总剂量能力，采用VHDL语言对其实现功能进行描述，其余器件包括线性稳压器、运算放大器和模数转换器采等用行为级总剂量模型，系统中电阻、电容均采用SPICE模型，全系统仿真结果如图7(b)所示，仿真与试验结果能够较好的吻合。经仿真分析可知，运算放大器为系统辐射敏感位置，运算放大器输出驱动能力降低是系统失效的主要因素。

图7 系统试验结果和仿真结果的对比Fig.7 Comparison of system irradiation test results and simulation

3 结论

1)利用行为级仿真建模方法，从不同维度出发建立了典型的模拟及数模混合电子器件总剂量效应模型，且可实现偏置条件、剂量率等因素对辐射效应影响规律的仿真。

2)基于VHDL-AMS的行为级仿真建模，实现了典型电子系统的总剂量效应仿真，有效简化了系统总剂量效应建模难度，具有很好的应用价值，相关研究工作对空间电子系统的抗辐射加固设计和抗辐射性能预估提供技术支持。

为进一步准确、快速实现空间复杂电子系统的辐射效应仿真，后续研究中可结合机器学习和统计学理论等手段，在充分挖掘已有电子器件数据规律基础上实现空间电子系统的总剂量效应仿真与评估。