上个月从热真空箱里取回一块数据采集板卡室温复测时发现第3路模拟通道的零点比试验前偏了两百多微伏。排查到最后问题出在板上一颗普通商用CMOS多路复用器——累计剂量辐射让它的关断漏电从皮安级涨到了纳安级再乘上前端传感器的高源阻抗误差被直接放大到了不可接受的程度。这个案例又一次印证了一个判断在航天飞行数据采集系统Space Flight Data Acquisition Systems里抗辐射多路复用器Radiation Hardened Multiplexers绝不是一个随便挑一颗工业级开关凑合一下的环节。这篇文章我想把这件事讲透为什么星载数据采集要专门为多路复用器做抗辐射加固辐射到底怎么把一颗芯片打坏的新型抗辐射多路复用器把加固手段做到了什么程度以及选型和应用时最容易踩的坑。适合正在做星载电子设备、低轨星座载荷或者准备把COTS器件往太空用的硬件工程师参考。内容偏模拟前端信号链但我会尽量把辐射效应的原理讲得通俗一点新手也不用担心看不懂。1. 星载数据采集链路中一颗多路复用器扛起的是整个信号通路的前端选择权1.1 从传感器阵列到ADC多路复用器处在信号链的咽喉位置一个典型的星载数据采集系统前端通常长这样若干不同类型传感器先把物理量变成模拟电压信号经过调理电路滤波、放大之后送到一片模拟多路复用器多路复用器按控制逻辑给出的地址把当前选通的那一路信号送到模数转换器ADC输入端。为什么需要多路复用器因为ADC是整个系统里最贵、最耗电、最占面积的器件之一。如果用几十路ADC去伺候几十路传感器不仅重量和功耗超标通道一致性问题和电磁干扰也会让人头疼。多路复用器用分时复用的方式让所有传感器共享同一套ADC和后续处理链路。以一颗16通道MUX为例它的作用就像机械转盘开关只是这个转盘用CMOS晶体管实现切换速度可以做到微秒级。也正因为它处在模拟信号通路的咽喉位置它对精度的影响是系统级的。它自身的导通电阻、泄漏电流、电荷注入、串扰都会直接叠加到输入信号上。如果它在辐射环境中性能漂了后面ADC做得再好也救不回来。我见过不少项目把大量精力花在挑选高精度ADC上结果信号链前端的MUX一漂移整条链路的有效精度直接掉了一半。1.2 普通CMOS开关在轨道的死法从漏电漂移到单粒子闩锁普通商用CMOS模拟多路复用器在实验室里性能确实漂亮皮安级漏电流、低导通电阻、微秒级切换。但在太空辐射环境里它有几个典型的死法。第一种是总剂量引起的漏电上升。随着累计剂量积累场氧化层和栅氧化层边缘会形成寄生导电沟道。关断通道的漏电流会从初始的几十皮安慢慢涨到纳安甚至微安级。对源阻抗较高的测量电路来说漏电流流过源阻抗产生的压降会直接成为一个不可忽视的误差源。第二种是单粒子效应。低轨卫星尤其是经过南大西洋异常区时大量质子和重离子会击中芯片敏感节点。轻则发生单粒子瞬态SET在模拟输出端出现一个短暂毛刺导致ADC采到一个野值重则发生单粒子闩锁SEL芯片内部寄生可控硅被触发导通电流剧增如果不加限流几分钟内就能把芯片烧掉。第三种是剂量率效应带来的温水煮青蛙。部分双极工艺器件在低剂量率长期辐照下的退化比地面短时高剂量率测试的退化更严重这就是ELDRS效应。地面测试通过不代表它在轨道上长时间慢慢受辐照也一定能扛住。专门为空间应用设计的抗辐射多路复用器从一开始就在工艺和版图上规避这些问题。1.3 哪些任务愿意为此多付成本科学载荷、深空与长寿命平台抗辐射多路复用器的单价和筛选成本往往比工业级器件高出一个数量级。哪些任务愿意为此买单科学探测载荷粒子探测器、X射线谱仪、可见光相机这类载荷对数据质量要求极高一个因单粒子瞬态产生的假采样点可能会被误判为一次物理事件。深空任务木星附近辐射带剂量率极高太阳质子事件也会突增剂量。往返火星的多年任务累计总剂量轻松超过100 krad(Si)量级。长寿命通信卫星15年寿命的地球静止轨道平台虽然辐射带环境比木星温和但累计总剂量加上单粒子事件概率足以让非加固器件性能退化到不可用。我并不是说所有航天任务都必须上宇航级MUX。近几年商业低轨星座大量使用COTS器件靠系统级屏蔽、冗余和功能降级来控风险这也是一个方向。但前提是你得清楚风险在哪并且有对应的兜底手段而不是抱着应该没问题的心态拍板。2. 辐射进来之后芯片里发生了什么TID、SEE与ELDRS的微观破坏链2.1 总电离剂量TID氧化层里那些回不去的空穴要理解辐射损伤先记住一个基本事实辐射粒子能量很高穿过芯片材料时会把原子电离产生电子-空穴对。对于CMOS器件最容易受影响的是二氧化硅绝缘层尤其是栅氧化层和隔离氧化层。在氧化层内部电子迁移率远高于空穴。辐射产生的电子很快就会跑掉而空穴迁移率低容易被体内的缺陷捕获形成带正电的陷阱电荷。这个正电荷会改变MOS晶体管的阈值电压。对NMOS管来说正氧化层电荷会让阈值电压向负方向漂移原本应该完全关断的管子变成弱导通于是出现了漏电流在极端情况下阈值电压漂移太多管子甚至无法正常工作。同时辐射还会在硅-二氧化硅界面产生界面态陷阱这类陷阱会降低载流子迁移率让导通电阻变大、噪声变差。整个过程是累积性的、不可逆的所以叫总剂量效应。一个直观的生活类比是阀门原本拧紧后能关严辐照时间久了阀座密封圈被烫变形拧紧也还是会渗水而且渗水量随辐照时间持续增加。2.2 单粒子效应SEE一颗铁离子就能让通道选错甚至烧毁单粒子效应与总剂量不同它是由单个高能粒子引起的存在随机性不会提前给你预警。粒子的破坏力用线性能量转移LET来衡量单位是MeV·cm²/mg。可以把它理解为粒子在单位路径上往材料里注入了多少能量能量越高越容易在敏感节点引起故障。对于多路复用器来说最常见的单粒子故障模式有几种单粒子瞬态SET粒子打在模拟开关的敏感结上产生电流脉冲输出端表现为短暂尖峰。如果ADC刚好此刻采样就会采到坏数据。单粒子翻转SEU粒子打在数字控制逻辑里改变通道地址寄存器的状态。原本该选通第3路结果切到了第8路。单粒子闩锁SELCMOS工艺中天然存在寄生的PNPN可控硅结构。粒子触发后可控硅导通电源到地之间流过很大电流。这种闩锁如果不切断电源器件会过热烧毁甚至永久损坏。这就是为什么选宇航级MUX时规格书会明确说明在测试LET达到XX MeV·cm²/mg时未发生闩锁。这个数字是产品有没有做过单粒子摸底的重要依据。比如LET大于60 MeV·cm²/mg无闩锁说明大多数银河宇宙射线里的重离子很难触发它。2.3 低剂量率增强退化ELDRS地面测试通过了天上却不行的坑ELDRS是一个非常反直觉的现象。常规逻辑告诉我们剂量率越低同等累计剂量下芯片退化应该越轻。但对某些双极工艺器件长期低剂量率辐照反而比短期高剂量率辐照退化更严重。原因和双极晶体管中氧化层内空间电荷的建立与退火平衡有关。高剂量率下短时间内注入大量空穴一些不稳定的陷阱来不及累积反而会退火掉测试时看到的净损伤反而小低剂量率下陷阱缓慢但持续积累最后累计出的损伤可能更大。这个效应在卫星上是个大坑。地面做总剂量验收测试通常会用一个相对较高的剂量率去快速累计到目标剂量。如果被测器件有ELDRS敏感性这个测试可能根本暴露不出问题。所以现在的宇航级模拟器件评估流程里经常要专门加一组低剂量率测试比如0.01 rad/s级别跑上几周甚至几个月专门考察ELDRS表现。2.4 用三个数字判断辐射预算rad、LET、截面的意义做系统设计时经常需要和辐射环境工程师对需求。记住三个数字基本能完成大多数沟通。第一个是总剂量rad(Si)。它表示整个任务期间器件要承受的累计吸收剂量。低轨小卫星屏蔽后可能只有几krad木星任务可能要几百krad。器件选型时要保证足够余量一般建议按最恶劣情况再加2倍以上余量。第二个是LET阈值单位MeV·cm²/mg。它用来判断单粒子效应的敏感度。要结合任务的粒子环境看低轨道主要担心质子高轨道和深空更担心重离子。如果器件的LET阈值在75 MeV·cm²/mg以上那大多数宇宙射线重离子都触发不了它。第三个是饱和截面单位cm²/device或cm²/bit。它描述的是粒子打上去之后命中率有多高。截面越小越好但横向比较时要注意器件不同、敏感体积不同不能只看截面绝对值。理解了这三个数字你才能真正读懂厂商给的辐射报告而不是只看一句抗辐射认证。3. 新型抗辐射多路复用器把加固手段拧在了哪些螺丝上3.1 工艺加固环形栅、深沟槽隔离与SOI各自解决什么问题早期抗辐射多路复用器主要靠选工艺现在则更多是改版图和改电路结构。几种常见工艺加固手段值得分别说说。环形栅Enclosed Layout Transistor, ELT把MOS管的栅极做成环形让沟道没有直通边缘。普通CMOS管的边缘漏电流是很典型的TID弱路径环形栅从物理上截断了这条路径代价是版图面积变大、有些电路特性需要重新提取。这是模拟开关里相当主流的做法。深沟槽隔离STI优化在场氧化层下方挖深沟槽用绝缘材料填充阻断漏电流在相邻器件之间横向串通的路径。深沟槽也能降低单粒子闩锁的触发概率。SOI衬底在绝缘体上做晶体管有源区和衬底之间有埋氧层隔离。单粒子产生的电荷收集体积大幅减小抗单粒子能力通常更好。但SOI工艺散热相对差一些对总剂量效应的表现也不一定优于体硅最终能不能用要看整体评估。外延层在重掺杂衬底上生长一层轻掺杂外延层用于降低寄生PNPN结构的触发灵敏度改善抗闩锁能力。这些工艺手段不是互相排斥的一颗好的抗辐射MUX往往把几种手段组合起来用。选型时不必纠结厂商到底用了哪种工艺但要看最终的辐射测试结果。3.2 电路与版图加固控制逻辑、钳位与防闩锁结构工艺之外电路设计也在抗辐射方面做了很多细活。控制逻辑是数字部分容易发生SEU。新型器件有的会在通道地址译码器内部加校验或冗余地址位出错时宁可保持上一状态也不乱切通道。这个失效行为对系统设计非常重要——宁可不切换也不要切到错误的通道因为后者会让采集数据完全不可信。模拟通道本身也有加固措施。比如在开关管源漏之间加入合理的限流设计即使发生闩锁电流也会被限制在安全范围内给系统管理留出断电保护的时间。再比如ESD保护结构不能只满足地面装配环境还要考虑空间带电粒子对端口的冲击所以输入输出端会做更宽的钳位电压设计。版图层面拉开敏感节点之间的距离、增加保护环、避免大面积同极性扩散区相邻都是在降低单粒子触发概率。如果你有机会对比不同MUX芯片的显微镜照片加固版图和普通版图的差异往往一眼就能看出——加固芯片的留白和保护环明显更多。3.3 封装层面的取舍陶瓷密封、屏蔽罩与引脚布局辐射加固不只是芯片内部的事封装同样关键。宇航级MUX常见的选择是陶瓷气密封装比如CLCC、CQFP。陶瓷封装的气密性可以防止湿气进入也能减少离子污染对高阻模拟节点的影响。毕竟模拟开关的输入阻抗极高如果封装内部有湿气和可动离子表面漏电就会直接破坏芯片性能。有些设计会额外加局部屏蔽罩在MUX上方放一层高原子序数材料来衰减射线。屏蔽罩对低能电子和低能质子有效但对高能粒子基本无能为力所以别迷信屏蔽。屏蔽的重量代价也很现实每增加一克都要和卫星总体分系统讨价还价。引脚布局上高阻模拟输入引脚最好和数字控制引脚拉开距离减少数字开关噪声耦合到模拟输入的机会。封装外壳上一些器件还提供额外的电源和地引脚用来降低通道间串扰和地弹。3.4 一颗典型新型16通道MUX的指标拆解拿一颗典型的新型16通道抗辐射模拟多路复用器举例看看它和上一代产品相比强在哪。这类器件通常支持单电源或双电源工作模拟输入范围接近轨到轨。导通电阻R_ON可能做到几十欧姆量级且平坦度很好在全输入范围内变化不超过几个欧姆。平坦度比绝对值更重要因为ADC增益误差可以通过校准修正但非线性误差很难。关断泄漏电流在辐照前是皮安级辐照后到较高krad级别仍然保持在纳安以下。这直接决定了高源阻抗信号链路的精度边界。通道间串扰在10kHz时通常低于-80dB电荷注入控制在低皮库仑量级。辐照保证等级典型做到总剂量100到300 krad(Si)单粒子LET阈值到60到75 MeV·cm²/mg无闩锁。相比上一代新型号的主要进步往往不是单个指标突飞猛进而是把功耗降下来、把通道隔离做好、把开关时间缩短。信号链设计里这些都是实打实的系统收益。4. 选型盯住这些指标才不会拿到一份看起来很美的规格书4.1 先看辐射保证等级TID、LET阈值和测试条件一个都不能少选抗辐射MUX第一件事绝对不要先看精度而是看辐射保证等级。很多工业级器件的初始精度指标非常漂亮但辐射一照就现原形。TID等级相对好理解比如100 krad(Si)、300 krad(Si)。但要问清楚这个等级是在什么剂量率、什么温度、什么电偏置条件下测出来的。有的器件带偏置辐照和不带偏置辐照结果差异很大最恶劣工况通常是带偏置且高阻输入状态。如果厂商只报了无偏置结果你要多留一个心眼。单粒子指标更要抠细节。规格书说免疫闩锁到LET 60你要看测试用的是哪种离子、入射角度是否垂直、测试温度是多少。有些器件常温测没问题到高温比如125°C时闩锁阈值会明显下降。如果任务轨道的重离子环境很恶劣建议选LET阈值比最恶劣环境高出50%以上的器件。截面曲线也很关键。部分器件虽然LET阈值不高但截面很小失效率很低通过系统冗余也能接受。反过来有的器件LET阈值漂亮但峰值截面不小失效率并不一定低。所以最好把截面曲线也纳入比较。4.2 再看辐照后的模拟性能R_ON、泄漏电流与电荷注入辐射加固不是白给的往往以牺牲部分模拟性能为代价。选型时要明确一个关键问题厂商保不保证辐照后的电性能参数以泄漏电流为例一颗MUX辐照前I_S只有1皮安辐照后涨到50皮安这对16位采集系统是否可接受简单算一笔账如果信号源阻抗是100千欧50皮安漏电流产生的误差电压是5微伏按±5V范围计算16位LSB大约152微伏这个误差可以忽略。但如果源阻抗是10兆欧误差就放大到0.5毫伏相当于3个多LSB明显不可接受。导通电阻的辐照退化也会影响系统。如果MUX后面没有缓冲放大器R_ON和采样电容形成分压 星载数据采集为何需要抗辐射多路复用器？
上个月从热真空箱里取回一块数据采集板卡室温复测时发现第3路模拟通道的零点比试验前偏了两百多微伏。排查到最后问题出在板上一颗普通商用CMOS多路复用器——累计剂量辐射让它的关断漏电从皮安级涨到了纳安级再乘上前端传感器的高源阻抗误差被直接放大到了不可接受的程度。这个案例又一次印证了一个判断在航天飞行数据采集系统Space Flight Data Acquisition Systems里抗辐射多路复用器Radiation Hardened Multiplexers绝不是一个随便挑一颗工业级开关凑合一下的环节。这篇文章我想把这件事讲透为什么星载数据采集要专门为多路复用器做抗辐射加固辐射到底怎么把一颗芯片打坏的新型抗辐射多路复用器把加固手段做到了什么程度以及选型和应用时最容易踩的坑。适合正在做星载电子设备、低轨星座载荷或者准备把COTS器件往太空用的硬件工程师参考。内容偏模拟前端信号链但我会尽量把辐射效应的原理讲得通俗一点新手也不用担心看不懂。1. 星载数据采集链路中一颗多路复用器扛起的是整个信号通路的前端选择权1.1 从传感器阵列到ADC多路复用器处在信号链的咽喉位置一个典型的星载数据采集系统前端通常长这样若干不同类型传感器先把物理量变成模拟电压信号经过调理电路滤波、放大之后送到一片模拟多路复用器多路复用器按控制逻辑给出的地址把当前选通的那一路信号送到模数转换器ADC输入端。为什么需要多路复用器因为ADC是整个系统里最贵、最耗电、最占面积的器件之一。如果用几十路ADC去伺候几十路传感器不仅重量和功耗超标通道一致性问题和电磁干扰也会让人头疼。多路复用器用分时复用的方式让所有传感器共享同一套ADC和后续处理链路。以一颗16通道MUX为例它的作用就像机械转盘开关只是这个转盘用CMOS晶体管实现切换速度可以做到微秒级。也正因为它处在模拟信号通路的咽喉位置它对精度的影响是系统级的。它自身的导通电阻、泄漏电流、电荷注入、串扰都会直接叠加到输入信号上。如果它在辐射环境中性能漂了后面ADC做得再好也救不回来。我见过不少项目把大量精力花在挑选高精度ADC上结果信号链前端的MUX一漂移整条链路的有效精度直接掉了一半。1.2 普通CMOS开关在轨道的死法从漏电漂移到单粒子闩锁普通商用CMOS模拟多路复用器在实验室里性能确实漂亮皮安级漏电流、低导通电阻、微秒级切换。但在太空辐射环境里它有几个典型的死法。第一种是总剂量引起的漏电上升。随着累计剂量积累场氧化层和栅氧化层边缘会形成寄生导电沟道。关断通道的漏电流会从初始的几十皮安慢慢涨到纳安甚至微安级。对源阻抗较高的测量电路来说漏电流流过源阻抗产生的压降会直接成为一个不可忽视的误差源。第二种是单粒子效应。低轨卫星尤其是经过南大西洋异常区时大量质子和重离子会击中芯片敏感节点。轻则发生单粒子瞬态SET在模拟输出端出现一个短暂毛刺导致ADC采到一个野值重则发生单粒子闩锁SEL芯片内部寄生可控硅被触发导通电流剧增如果不加限流几分钟内就能把芯片烧掉。第三种是剂量率效应带来的温水煮青蛙。部分双极工艺器件在低剂量率长期辐照下的退化比地面短时高剂量率测试的退化更严重这就是ELDRS效应。地面测试通过不代表它在轨道上长时间慢慢受辐照也一定能扛住。专门为空间应用设计的抗辐射多路复用器从一开始就在工艺和版图上规避这些问题。1.3 哪些任务愿意为此多付成本科学载荷、深空与长寿命平台抗辐射多路复用器的单价和筛选成本往往比工业级器件高出一个数量级。哪些任务愿意为此买单科学探测载荷粒子探测器、X射线谱仪、可见光相机这类载荷对数据质量要求极高一个因单粒子瞬态产生的假采样点可能会被误判为一次物理事件。深空任务木星附近辐射带剂量率极高太阳质子事件也会突增剂量。往返火星的多年任务累计总剂量轻松超过100 krad(Si)量级。长寿命通信卫星15年寿命的地球静止轨道平台虽然辐射带环境比木星温和但累计总剂量加上单粒子事件概率足以让非加固器件性能退化到不可用。我并不是说所有航天任务都必须上宇航级MUX。近几年商业低轨星座大量使用COTS器件靠系统级屏蔽、冗余和功能降级来控风险这也是一个方向。但前提是你得清楚风险在哪并且有对应的兜底手段而不是抱着应该没问题的心态拍板。2. 辐射进来之后芯片里发生了什么TID、SEE与ELDRS的微观破坏链2.1 总电离剂量TID氧化层里那些回不去的空穴要理解辐射损伤先记住一个基本事实辐射粒子能量很高穿过芯片材料时会把原子电离产生电子-空穴对。对于CMOS器件最容易受影响的是二氧化硅绝缘层尤其是栅氧化层和隔离氧化层。在氧化层内部电子迁移率远高于空穴。辐射产生的电子很快就会跑掉而空穴迁移率低容易被体内的缺陷捕获形成带正电的陷阱电荷。这个正电荷会改变MOS晶体管的阈值电压。对NMOS管来说正氧化层电荷会让阈值电压向负方向漂移原本应该完全关断的管子变成弱导通于是出现了漏电流在极端情况下阈值电压漂移太多管子甚至无法正常工作。同时辐射还会在硅-二氧化硅界面产生界面态陷阱这类陷阱会降低载流子迁移率让导通电阻变大、噪声变差。整个过程是累积性的、不可逆的所以叫总剂量效应。一个直观的生活类比是阀门原本拧紧后能关严辐照时间久了阀座密封圈被烫变形拧紧也还是会渗水而且渗水量随辐照时间持续增加。2.2 单粒子效应SEE一颗铁离子就能让通道选错甚至烧毁单粒子效应与总剂量不同它是由单个高能粒子引起的存在随机性不会提前给你预警。粒子的破坏力用线性能量转移LET来衡量单位是MeV·cm²/mg。可以把它理解为粒子在单位路径上往材料里注入了多少能量能量越高越容易在敏感节点引起故障。对于多路复用器来说最常见的单粒子故障模式有几种单粒子瞬态SET粒子打在模拟开关的敏感结上产生电流脉冲输出端表现为短暂尖峰。如果ADC刚好此刻采样就会采到坏数据。单粒子翻转SEU粒子打在数字控制逻辑里改变通道地址寄存器的状态。原本该选通第3路结果切到了第8路。单粒子闩锁SELCMOS工艺中天然存在寄生的PNPN可控硅结构。粒子触发后可控硅导通电源到地之间流过很大电流。这种闩锁如果不切断电源器件会过热烧毁甚至永久损坏。这就是为什么选宇航级MUX时规格书会明确说明在测试LET达到XX MeV·cm²/mg时未发生闩锁。这个数字是产品有没有做过单粒子摸底的重要依据。比如LET大于60 MeV·cm²/mg无闩锁说明大多数银河宇宙射线里的重离子很难触发它。2.3 低剂量率增强退化ELDRS地面测试通过了天上却不行的坑ELDRS是一个非常反直觉的现象。常规逻辑告诉我们剂量率越低同等累计剂量下芯片退化应该越轻。但对某些双极工艺器件长期低剂量率辐照反而比短期高剂量率辐照退化更严重。原因和双极晶体管中氧化层内空间电荷的建立与退火平衡有关。高剂量率下短时间内注入大量空穴一些不稳定的陷阱来不及累积反而会退火掉测试时看到的净损伤反而小低剂量率下陷阱缓慢但持续积累最后累计出的损伤可能更大。这个效应在卫星上是个大坑。地面做总剂量验收测试通常会用一个相对较高的剂量率去快速累计到目标剂量。如果被测器件有ELDRS敏感性这个测试可能根本暴露不出问题。所以现在的宇航级模拟器件评估流程里经常要专门加一组低剂量率测试比如0.01 rad/s级别跑上几周甚至几个月专门考察ELDRS表现。2.4 用三个数字判断辐射预算rad、LET、截面的意义做系统设计时经常需要和辐射环境工程师对需求。记住三个数字基本能完成大多数沟通。第一个是总剂量rad(Si)。它表示整个任务期间器件要承受的累计吸收剂量。低轨小卫星屏蔽后可能只有几krad木星任务可能要几百krad。器件选型时要保证足够余量一般建议按最恶劣情况再加2倍以上余量。第二个是LET阈值单位MeV·cm²/mg。它用来判断单粒子效应的敏感度。要结合任务的粒子环境看低轨道主要担心质子高轨道和深空更担心重离子。如果器件的LET阈值在75 MeV·cm²/mg以上那大多数宇宙射线重离子都触发不了它。第三个是饱和截面单位cm²/device或cm²/bit。它描述的是粒子打上去之后命中率有多高。截面越小越好但横向比较时要注意器件不同、敏感体积不同不能只看截面绝对值。理解了这三个数字你才能真正读懂厂商给的辐射报告而不是只看一句抗辐射认证。3. 新型抗辐射多路复用器把加固手段拧在了哪些螺丝上3.1 工艺加固环形栅、深沟槽隔离与SOI各自解决什么问题早期抗辐射多路复用器主要靠选工艺现在则更多是改版图和改电路结构。几种常见工艺加固手段值得分别说说。环形栅Enclosed Layout Transistor, ELT把MOS管的栅极做成环形让沟道没有直通边缘。普通CMOS管的边缘漏电流是很典型的TID弱路径环形栅从物理上截断了这条路径代价是版图面积变大、有些电路特性需要重新提取。这是模拟开关里相当主流的做法。深沟槽隔离STI优化在场氧化层下方挖深沟槽用绝缘材料填充阻断漏电流在相邻器件之间横向串通的路径。深沟槽也能降低单粒子闩锁的触发概率。SOI衬底在绝缘体上做晶体管有源区和衬底之间有埋氧层隔离。单粒子产生的电荷收集体积大幅减小抗单粒子能力通常更好。但SOI工艺散热相对差一些对总剂量效应的表现也不一定优于体硅最终能不能用要看整体评估。外延层在重掺杂衬底上生长一层轻掺杂外延层用于降低寄生PNPN结构的触发灵敏度改善抗闩锁能力。这些工艺手段不是互相排斥的一颗好的抗辐射MUX往往把几种手段组合起来用。选型时不必纠结厂商到底用了哪种工艺但要看最终的辐射测试结果。3.2 电路与版图加固控制逻辑、钳位与防闩锁结构工艺之外电路设计也在抗辐射方面做了很多细活。控制逻辑是数字部分容易发生SEU。新型器件有的会在通道地址译码器内部加校验或冗余地址位出错时宁可保持上一状态也不乱切通道。这个失效行为对系统设计非常重要——宁可不切换也不要切到错误的通道因为后者会让采集数据完全不可信。模拟通道本身也有加固措施。比如在开关管源漏之间加入合理的限流设计即使发生闩锁电流也会被限制在安全范围内给系统管理留出断电保护的时间。再比如ESD保护结构不能只满足地面装配环境还要考虑空间带电粒子对端口的冲击所以输入输出端会做更宽的钳位电压设计。版图层面拉开敏感节点之间的距离、增加保护环、避免大面积同极性扩散区相邻都是在降低单粒子触发概率。如果你有机会对比不同MUX芯片的显微镜照片加固版图和普通版图的差异往往一眼就能看出——加固芯片的留白和保护环明显更多。3.3 封装层面的取舍陶瓷密封、屏蔽罩与引脚布局辐射加固不只是芯片内部的事封装同样关键。宇航级MUX常见的选择是陶瓷气密封装比如CLCC、CQFP。陶瓷封装的气密性可以防止湿气进入也能减少离子污染对高阻模拟节点的影响。毕竟模拟开关的输入阻抗极高如果封装内部有湿气和可动离子表面漏电就会直接破坏芯片性能。有些设计会额外加局部屏蔽罩在MUX上方放一层高原子序数材料来衰减射线。屏蔽罩对低能电子和低能质子有效但对高能粒子基本无能为力所以别迷信屏蔽。屏蔽的重量代价也很现实每增加一克都要和卫星总体分系统讨价还价。引脚布局上高阻模拟输入引脚最好和数字控制引脚拉开距离减少数字开关噪声耦合到模拟输入的机会。封装外壳上一些器件还提供额外的电源和地引脚用来降低通道间串扰和地弹。3.4 一颗典型新型16通道MUX的指标拆解拿一颗典型的新型16通道抗辐射模拟多路复用器举例看看它和上一代产品相比强在哪。这类器件通常支持单电源或双电源工作模拟输入范围接近轨到轨。导通电阻R_ON可能做到几十欧姆量级且平坦度很好在全输入范围内变化不超过几个欧姆。平坦度比绝对值更重要因为ADC增益误差可以通过校准修正但非线性误差很难。关断泄漏电流在辐照前是皮安级辐照后到较高krad级别仍然保持在纳安以下。这直接决定了高源阻抗信号链路的精度边界。通道间串扰在10kHz时通常低于-80dB电荷注入控制在低皮库仑量级。辐照保证等级典型做到总剂量100到300 krad(Si)单粒子LET阈值到60到75 MeV·cm²/mg无闩锁。相比上一代新型号的主要进步往往不是单个指标突飞猛进而是把功耗降下来、把通道隔离做好、把开关时间缩短。信号链设计里这些都是实打实的系统收益。4. 选型盯住这些指标才不会拿到一份看起来很美的规格书4.1 先看辐射保证等级TID、LET阈值和测试条件一个都不能少选抗辐射MUX第一件事绝对不要先看精度而是看辐射保证等级。很多工业级器件的初始精度指标非常漂亮但辐射一照就现原形。TID等级相对好理解比如100 krad(Si)、300 krad(Si)。但要问清楚这个等级是在什么剂量率、什么温度、什么电偏置条件下测出来的。有的器件带偏置辐照和不带偏置辐照结果差异很大最恶劣工况通常是带偏置且高阻输入状态。如果厂商只报了无偏置结果你要多留一个心眼。单粒子指标更要抠细节。规格书说免疫闩锁到LET 60你要看测试用的是哪种离子、入射角度是否垂直、测试温度是多少。有些器件常温测没问题到高温比如125°C时闩锁阈值会明显下降。如果任务轨道的重离子环境很恶劣建议选LET阈值比最恶劣环境高出50%以上的器件。截面曲线也很关键。部分器件虽然LET阈值不高但截面很小失效率很低通过系统冗余也能接受。反过来有的器件LET阈值漂亮但峰值截面不小失效率并不一定低。所以最好把截面曲线也纳入比较。4.2 再看辐照后的模拟性能R_ON、泄漏电流与电荷注入辐射加固不是白给的往往以牺牲部分模拟性能为代价。选型时要明确一个关键问题厂商保不保证辐照后的电性能参数以泄漏电流为例一颗MUX辐照前I_S只有1皮安辐照后涨到50皮安这对16位采集系统是否可接受简单算一笔账如果信号源阻抗是100千欧50皮安漏电流产生的误差电压是5微伏按±5V范围计算16位LSB大约152微伏这个误差可以忽略。但如果源阻抗是10兆欧误差就放大到0.5毫伏相当于3个多LSB明显不可接受。导通电阻的辐照退化也会影响系统。如果MUX后面没有缓冲放大器R_ON和采样电容形成分压