砷化镓8Bit+ADC电路的辐照试验研究

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1、第十届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集103砷化镓8BitADO电路的辐照试验研究田国平朱思成白元亮(中国电子科技集团公司第十三研究所河北石家庄050051)摘要砷化镓模数转换器(ADC)具有良好的电性能和耐辐照能力，广泛应用于各种领域，尤其是航空航天领域。电路的耐辐射能力与设计和工艺密切相关，在前期电路的研究基础上，针对电路设计和工艺制造进行大规模集成电路的研究，改进电路的设计和工艺制造技术．本文主要对该电路的设计、工艺研究和Y总剂量辐照试验进行描述，试验结果表明该模数转换器能够耐100krad(Si)总

2、剂量的辐照．关键词砷化镓模数转换辐照试验Q叭s数据模数转换器在数据处理、数字化雷达、数字射频存储器、等方面具有广泛的用途，主要应用于电子通信等领域。1理论分析GaAsMESFET的工作原理与硅JFET相似，以栅电压的高低来控制沟道电流的大小，从而实现控制沟道电导。它是以多数载流子来传输信息的有源器件，理论分析耐中子辐射能力很好。由于MESFET没有MOSFET那样的栅介质，它的耐，y射线电离总剂量辐照的能力也较好，但工艺制造的影响因素很多。GaAsMESFET在电离总剂量辐照后主要的变化体现在vp(阙置电压)上，导

3、致饱和电流和跨导的变化，对整体电路来说就是电流变化和逻辑错误、时延变大。究其原理，砷化镓FET的平面结构，是以各类金属薄膜为基础，以实现欧姆和肖特基接触。器件退化的主要原因是金．半界面和半导体表面的退化，在欧姆接触和肖特基接触中，金属沿自由半导体表面扩散和迁徙，从而性能退化。通过电路设计进行补偿和优化工艺制备技术，可以减小、巾的变化，提高电路的抗辐照能力。在7射线辐照后将形成一个背栅，使器件的性能下降。由于背栅，来一个信号，其前沿很快而后沿很慢形成拖尾，因而不能发挥CramMESFET高速度的特点。2电路设计2．1

4、电路结构的选取对于ADC的设计，电路的基本结构有闪速型(FLASH)、流水线型(Pipeline)、连续逼近型(SAR)、图l锁存器电路104砷化镓8BitADC电路的辐照试验研究过采样z一△型、积分型和折叠插值转换等多种结构方式，目前主流的结构形式是前四种，且各具特色。闪速型结构和流水线型结构适用于采样速率高的转换器。对于闪速型结构，由于全部比较刀畴换几乎是同时发生的，所以转换速度要高于其他结构。但这一结构有其固有的缺点：对于N位分辨率要求有2n一1个比较结构(包括比较器和权电阻>，若分辨率提升一位，所需器件数目

5、就要增加近一倍，使得电路变的非常复杂。例如，从4位提高到8位，所需器件数目就要增加近16倍，芯片面积和电路功耗也相应的增加，这也是难度所在。此外，位数越多，对电阻网络的均匀性及比较器阑值要求也越苛刻。对于流水线型结构，把N位A／D变换分成了几个子变换部分，与FLASH型结构相比，在相同的精度下所需的的比较器数量大大减少，子交换部分的ADC电路设计降低了难度，但该结构所用电路类型相对较多，增加了电路设计的多样性。本文描述的8BitADC是综合现有工艺能力，依据GaAs器件本身具有的高速性能，采用了折叠插值结构进行电路

6、设计，既保证了电路的速度，同时又有效地降低了电路规模，同时降低了功耗，将工艺容限放大。总体说来，规模的降低可以有效提高电路抗辐照能力，而工艺容限的增大为改进工艺提高电路抗辐照能力提供了较大的调整范围。2．2基本单元电路的选择GaAsMESFET基本单元有直接耦合场效应逻辑(DCFL)，缓冲场效应逻辑(BFL)，源耦合场效应逻辑(SCFL)等多种形式。SCFL电路与其它电路相比，具有速度快，对材料的闽值电压标准偏差要求较松，易于实现多种复杂电路的特点。SCFL即可以用增强型FET来制作，也可以用耗尽型FET完成电路的

7、功能。为此，根据目前的工艺水平，采用已经用于其它抗辐照电路的SCFL电路单元进行电路设计。图l给出了基本单元D锁存器的原理图。2．3电路总体设计图2为折叠插值ADC的基本结构框图，其中输入信号通过采样保持电路后，分为两路，一路进入粗分ADC进行转换，产生数字信号的高3位，一路进入细分ADC进行转换，产生数字信号的低5位。这里，粗分ADC由flash结构实现，细分ADC由折叠插值结构实现。其中采用保图2折叠插值ADC电路框图詈喜暑持电路保证了电路的输入带宽和两条信号路径的同步性，折叠插值结构的细分ADC决定了电路的转

8、换精度、误码率等特性，是电路设计的关键。细量化的功能包括比较量化一折叠一放大一插值一编码。折叠插值电路是整个电路的难点，设计时对折叠电路的工作点进行重点分析，确定了恒流源的工作方式，折叠对管和恒流管的栅宽比例。为提高折叠电路的抗辐照能力，在折叠电路前增加比较放大单元，使得折叠电路的灵敏度有了较大日l肺仝日*g时lUr学1IlE磁咏冲学术年会论』燕的提高，折番