低功耗频率综合器的总剂量辐射效应研究

With the development of satellite towards miniaturization, lightweight and low power consumption, the power consumption and reliability of frequency synthesizers become bottlenecks of satellite radio communication systems. In the extreme space environment, total-ionizing dose (TID) effect is a major damage source which leads to performance degradation and even functional failure of frequency synthesizers. Therefore, in this project, the TID effects on low-power frequency synthesizers are comprehensively studied, by means of radiation experiments and simulations, from the aspects of devices, circuits, and systems. Firstly, with consideration of the impact of temperature variations, a TID model is established based on the inversion coefficient. Then, low-power and TID-hardened circuit modules are designed, and their corresponding multi-parameter and nonlinear radiation response characteristics are investigated. Finally, the damage transfer model of the frequency synthesizer is developed based on the electrical parameter degradation of the circuit modules. The implementation of this project will solve the test and analysis problems of internal modules resulted from the complex structure of frequency synthesizer and reveals the rules of damage transfer from transistors, circuit modules, to the closed-loop system. Besides, it will enrich the optimization design theory of low-power and high-reliability circuits, and provides support for the design and evaluation of low-power frequency synthesizers in space applications.

随着卫星向小型化、轻量化和低功耗方向发展，频率综合器的功耗和可靠性成为星载射频通信系统的发展瓶颈。在恶劣的空间环境中，总剂量辐射效应是影响频率综合器性能退化、甚至功能失效的主要损伤来源。本项目拟以低功耗频率综合器为研究对象，通过辐射试验与仿真建模相结合的方法，从器件、电路和系统三个层面对其总剂量辐射效应开展深入的研究。首先，考虑温度变化的影响，建立基于反型系数的器件总剂量辐射效应模型；然后，进行电路模块的低功耗和抗总剂量效应设计，探索相应模块的多参数非线性总剂量响应特性；最后，结合电路模块的电学参数退化情况，构建频率综合器的总剂量辐射损伤传输模型。本项目的实施将解决由于频率综合器结构复杂所导致的内部模块无法测试分析的问题，揭示电离辐射损伤从晶体管、到电路模块、到闭环系统的传递规律，丰富低功耗和高可靠电路的优化设计理论，为面向空间应用的低功耗频率综合器的设计和评估提供支持。

随着航天器向小型化、轻量化和低功耗方向发展，低功耗高可靠集成电路的设计成为了研究热点。然而，航天器的电子元器件工作在极端恶劣的空间环境中，容易受到高能带电粒子和辐射射线的影响，从而导致其性能退化、甚至系统功能失效。本项目主要研究低功耗频率综合器的辐射效应模型及抗辐射加固设计技术，为自主可控的高性能抗辐射模拟和射频集成电路设计探索新的思路。具体的研究成果如下：. 第一，研究SOI器件的总剂了辐射效应模型。绝缘体上硅(SOI)技术广泛用于高速、低功耗和抗辐射领域，然而因寄生背栅晶体管的存在，极大降低了其抗总剂量辐射能力。本研究首先建立了PDSOI器件的总剂量辐射效应模型，主要考虑三种氧化层发生的总剂量辐射效应，包括前栅氧化层，STI氧化层和背栅氧化层。此外，还研究了绝缘体上二维材料场效应晶体管（TMDOI FET）的总剂量辐射效应模型。本研究建立了基于表面电势的物理模型，该模型包含了辐照导致的陷阱电荷和载流子迁移率衰退，推导出TMDOI FET的漏电流模型。. 第二，研究基于SOI工艺的抗辐射低功耗频率综合器电路的设计。传统的加固设计通过牺牲面积和功耗指标，来换取不同程度的抗辐射效果。然而，在资源严重受限的空间电子系统中，低功耗、小面积和低噪声是至关重要的。本研究提出了一种新型的加固设计方法，模拟电路主要采用堆叠技术来抑制单粒子效应，数字电路不仅考虑了时序逻辑电路组合逻辑电路的单粒子加固。所设计的频率综合器电路在130nm SOI工艺进行流片，仅仅增加了8.4%的功耗和12.8%的面积。实验结果表明所提出的加固频率综合器电路在LET为87MeV·cm2/mg的条件下不发生失锁，抗总剂量效应能力达到300krad(Si)。. 第三，研究LDMOS ESD器件的辐射效应及加固设计。在极端恶劣的空间环境中，芯片在表面充电和内部充电效应的作用下，会诱发静电效应，进而对芯片产生致命的影响。结合TCAD仿真和辐射实验，研究LDMOS ESD器件的总剂量辐射效应退化机理，并提出了一种具有共同质心布局的多八边型LDMOS-DDSCR结构。实验结果表明多八边型LDMOS-DDSCR在100krad(Si)辐射环境下仍然具有良好的ESD防护性能(HBM>15kV)，而传统的LDMOS DDSCR器件在50krad(Si)时已失去功能。