一种计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法

技术领域

本发明设计模数转换电路技术领域，尤其设计一种计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法。

背景技术

集成电路设计、制造已经进入纳米级工艺时代。随着晶体管尺寸不断减小，晶体管间距离逐渐缩短，引发单粒子效应(SingleEventEffect,SEE)所需的临界电荷越来越少，单粒子效应更容易发生，其对集成电路的威胁越来越大。研究表明，在40nm以下的先进工艺节点上，由于电荷共享效应增强，高频工作条件下单粒子瞬态(SingleEventTransient,SET)甚至单粒子多瞬态(SingleEventMultipleTransient,SEMT)带来的组合逻辑电路软错误已经超过时序逻辑单粒子翻转(SingleEventUpset,SEU)的影响，成为电路软错误的主要来源。因此，针对纳米集成电路SET效应机理机制的研究成为辐照效应研究的热点和难点之一。

单粒子瞬态效应是由中子或高能质子等粒子对集成电路中的敏感器件的轰击所引起的瞬态现象。这种效应会导致晶体管管极的瞬态电流，进而在电路输出端产生有影响的瞬态电压。在集成电路中，单个瞬态脉冲可以从一个器件传递到整个系统，并且在沿组合通路传播的过程中会展宽。因此，对单粒子瞬态脉冲的产生和传输特性的研究对于电路的可靠性和性能评估非常重要。

另一方面，温度梯度是指电路中不同区域的温度差异。由于温度梯度会导致电路中的晶体管参数和器件特性的变化，因此会对电路性能产生影响。特别是在高温或极低温环境下，温度梯度会对电路的稳定性和可靠性产生重要影响。

因此，DSET技术背景的研究目的在于探索单粒子瞬态效应和温度梯度对数字电路的影响，以评估电路的可靠性和性能。这方面的研究可以帮助设计工程师优化电路结构和参数，提高电路的抗干扰能力和工作稳定性，从而满足不同工作环境下的要求。

尽管已有大量研究工作表明了纳米器件、集成电路SET效应的温度相关性，但相关成果几乎毫无例外基于均匀温度分布或单一温度条件假设，未能完全真实反映SET脉冲传播和作用过程中面临的实际热环境。在片上分布式热环境和其产生的非均匀温度条件下，SET脉冲传播过程中其幅度、脉宽等关键参数和脉冲形态可能显著改变，电路的响应模式和故障机制也会随之发生时刻变化。相关机理机制对电路抗SET加固设计和已有加固技术有效性评估意义重大，亟待研究揭示。实际应用中，纳米级数字/模拟混合信号集成电路往往是系统的重要组成部分，而针对它们的相关研究并不多见，其研究体系仍待进一步完善。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法，用以解决现有技术中针对SAR ADC电路在实际变化温度情况下的输出误码率评估准确性不佳的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法，在标定阶段中，通过在SAR ADC电路上布置可控加热器件，用以调节和控制SAR ADC电路的温度分布，并通过SARADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出叠加有模拟辐射噪声信号的预设信号作为测试信号，然后采集在不同温度分布情况下SARADC电路的DAC输出端的输出信号，统计在不同温度分布情况下所述输出信号相比测试信号中预设信号的误码率变化，进而得到SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据；在测试阶段中，采集待测SAR ADC电路的当前温度分布情况，进而对照SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据，确定待测SARADC电路在当前温度分布情况的输出误码率评估值。

作为优选方案，所述标定阶段具体包括如下步骤：

步骤1.1：在SAR ADC电路上布置可控加热器件，并通过适配的电源和加热器件控制电路对可控加热器件进行控制，用以调节和控制SARADC电路的温度分布；

步骤1.2：运行SAR ADC电路，通过SAR ADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出叠加有模拟辐射噪声信号的预设信号作为测试信号；

步骤1.3：设置各可控加热器件的温度增速和目标温度，控制各可控加热器件按照设置的温度增速从当前温度加热至目标温度，使得SAR ADC电路上的各可控加热器件布置位置形成当前温度至目标温度的温度分布区间，并对温度分布区间情况加以记录；

步骤1.4：在可控加热器件从当前温度加热至目标温度的时段区间，采集SAR ADC电路的DAC输出端的输出信号，并与测试信号中的预设信号进行误码率比较，统计出该温度分布区间情况下SARADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化；

步骤1.5：对各可控加热器件分别设置不同的温度增速和目标温度，形成从不同当的前温度加热至不同的目标温度的多个不同温度分布区间，进而针对每个不同的温度分布区间执行步骤1.2~1.4，统计在不同温度分布区间情况下SAR ADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化，进而得到SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据。

作为优选方案，所述步骤1.1中，在SAR ADC电路上布置可控加热器件的具体方式是，将多个可控加热器件沿SAR ADC电路上的信号线途径位置进行分布设置，使得SAR ADC电路上的信号传输路径的温度分布受到可控加热器件的调节和控制。

作为优选方案，所述步骤1.2中，通过SAR ADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出叠加有模拟辐射噪声信号的预设信号作为测试信号的具体方式是，设置SARADC电路中数字控制信号的逻辑门输出预设信号，并采用脉冲激光对SAR ADC电路中的数字控制信号的逻辑门部位进行局部定位照射，产生SET脉冲信号作为叠加在预设信号上的模拟辐射噪声信号，从而形成SAR ADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出的测试信号。

作为优选方案，所述步骤1.3中，对每个不同可控加热器件的温度增速和目标温度分别进行设置。

作为优选方案，所述步骤1.4中，采集SAR ADC电路的DAC输出端的输出信号并与测试信号中的预设信号进行误码率比较的具体方式是，通过导线引出SARADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端以及DAC输出端的信号，观测和记录所述数字控制信号的逻辑门输出端输出的SET脉冲信号以及DAC输出端输出的输出信号，比较二者的码字差别变化情况，从而统计出相应温度分布区间情况下SAR ADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化。

作为优选方案，所述测试阶段具体包括如下步骤：

步骤2.1：设置一段测温采集时长，在该测温采集时长内采集待测SAR ADC电路的当前温度分布情况；

步骤2.2：将采集的当前温度分布情况与SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据进行对照匹配，选择其中温度分布与步骤2.1采集的当前温度分布情况匹配最相近的一组对应关系数据，作为匹配结果对应关系数据；

步骤2.3：查询该匹配结果对应关系数据中SAR ADC电路的输出误码率，作为待测SAR ADC电路在当前温度分布情况的输出误码率评估值。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

现有的研究中，对于SAR ADC电路的输出误码率评估，主要在是基于均匀温度分布或单一温度条件假设而开展研究。然而，在实际应用中，由于外部环境温度变化、电路自身工作发热等原因，SAR ADC电路的实际温度特性是时刻变化的，如果借助原有基于均匀温度分布或单一温度条件假设的研究方法得到的数据，对SARADC电路在温度梯度梯度变化情况下的输出误码率特性进行评估，就容易存在较大的评估误差问题。而本发明方法，针对性的设计了计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法，只要在保证标定阶段测试的温度分布区间足够多的情况下，在测试阶段就能够很好的保证对SARADC电路在当前温度分布情况下的输出误码率评估的准确性，具有很好的技术适用性和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法的流程图。

图2为本发明方法中标定阶段的流程图。

图3为本发明方法中测试阶段的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明的目的是提供一种计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法。为了更好的说明本发明方案，首先对于SAR ADC（快速逐次逼近型模数转换器）电路及其工作原理进行说明。

纳米级超高速SAR（Successive Approximation Register） ADC电路已经大多采用DAC（数模转换器）作为SAR逻辑校准的输入。这需要片上集成模数转换器为SAR逻辑提供高质量DAC，且DAC往往和ADC的比特位数一样。

图1为一个4位的单端SAR ADC电路的整体构架示例。如图1所示，SAR ADC主要由采样保持电路、SAR逻辑控制、电容DAC组成；其中，SAR逻辑控制电容DAC采用单端采样结构，4bit电容阵列；在采样阶段，补偿电容器的底板连接至 Vcm。此外，阵列中其他电容器的底板采样至 Vin。同时，电容器阵列的顶板连接至 Vcm。在第一个位周期中，采样开关关闭，电容器阵列的底板连接至 Vcm。直接进行第一次比较，获得第一个比特。在接下来的周期中，根据比较器的决定，不同的加权电容器会切换到 Vref 或接地 (GND)。

在SAR ADC电路中，SARADC的工作流程包括以下几个步骤：

1. 采样（Sampling）：开始时，SAR ADC对输入的模拟信号进行采样，将其存储在采样保持电路中；采样保持电路能够将模拟信号保持在一个稳定的电平，以便后续的转换过程。

2. 比较（Comparison）：SAR ADC使用一个比较器，将采样保持电路中的信号与参考电压进行比较。比较器会输出一个比较结果，表示输入信号是大于还是小于参考电压。

3. 逼近（Approximation）：根据比较结果，SAR ADC开始逼近输入信号的数字表示。逼近过程从最高有效位（MSB）开始，逐位确定数字表示的值。在每一位上，SAR ADC会通过DAC（Digital-to-Analog Converter）生成一个逼近值，并将其与采样保持电路中的信号进行比较。

4. 更新（Update）：根据比较结果，SAR ADC会更新逼近寄存器中相应位的值；如果比较结果为大于，表示逼近值应该增加；如果比较结果为小于，则逼近值保持不变。这个更新过程会根据比较结果逐步逼近输入信号的数字表示，直到所有位都被逼近完成。

5. 输出（Output）：最终，SAR ADC将逼近寄存器中的数字表示输出为数字信号，表示输入模拟信号的近似值。这个数字信号可以被后续的处理器或电路进一步处理或存储。

由于DAC电路产生的电容阵列控制字直接决定了数字逻辑的输出，进而直接影响ADC输出。电容阵列控制信号一旦受到SET脉冲扰动，并经过可能存在较大温度梯度的长距离互连线传输到DAC电路，将对ADC稳定性产生瞬时剧烈扰动，严重时可能导致ADC输出错误并重启系统，造成电路时序错误甚至功能紊乱。而片上温度梯度的存在可能使这一现象更加恶化。

设计具有宽频覆盖能力的SERDES电路，并开展脉冲激光模拟单粒子辐照试验，以验证理论模型和科学设想的正确性。由于电容拆分技术中V4对电路的影响最大，为方便观测实验现象选取信号线V4作为试验对象。

因此，本发明提出了一种计及不同温度梯度的SAR ADC电路输出误码率评估方法，其特征在于，在标定阶段中，通过在SAR ADC电路上布置可控加热器件，用以调节和控制SARADC电路的温度分布，并通过SAR ADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出叠加有模拟辐射噪声信号的预设信号作为测试信号，然后采集在不同温度分布情况下SARADC电路的DAC输出端的输出信号，统计在不同温度分布情况下所述输出信号相比预设信号的误码率变化，进而得到SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据；在测试阶段中，采集待测SAR ADC电路的当前温度分布情况，进而对照SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据，确定待测SARADC电路在当前温度分布情况的输出误码率评估值。

现有的研究中，对于SAR ADC电路的输出误码率评估，主要在是基于均匀温度分布或单一温度条件假设而开展研究。然而，在实际应用中，由于外部环境温度变化、电路自身工作发热等原因，SARADC电路的实际温度特性是时刻变化的，如果借助原有基于均匀温度分布或单一温度条件假设的研究方法得到的数据，对SAR ADC电路在温度梯度梯度变化情况下的输出误码率特性进行评估，就容易存在较大的评估误差问题。而本发明方法，针对性的设计了计及不同温度梯度的SARADC电路输出误码率评估方法，只要在保证标定阶段测试的温度分布区间足够多的情况下，在测试阶段就能够很好的保证对SAR ADC电路在当前温度分布情况下的输出误码率评估的准确性，具有很好的技术适用性和推广应用价值。

具体而言，本发明方法的标定阶段流程如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤1.1：在SAR ADC电路上布置可控加热器件，并通过适配的电源和加热器件控制电路对可控加热器件进行控制，用以调节和控制SARADC电路的温度分布。

该步骤中，在SAR ADC电路上布置可控加热器件的具体方式是，将多个可控加热器件沿SAR ADC电路上的信号线途径位置进行分布设置，使得SARADC电路上的信号传输路径的温度分布受到可控加热器件的调节和控制。具体实施时，可以通过对信号线上方均匀分布独立可控电源线Power Line的上电及施加高低电压来控制沿信号线方向均匀分布的独立可控加热电阻HR的导通，以影响信号线上的温度分布。

步骤1.2：运行SAR ADC电路，通过SAR ADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出叠加有模拟辐射噪声信号的预设信号作为测试信号。

该步骤中，通过SAR ADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出叠加有模拟辐射噪声信号的预设信号作为测试信号的优选方式是，设置SAR ADC电路中数字控制信号的逻辑门输出预设信号，并采用脉冲激光对SAR ADC电路中的数字控制信号的逻辑门部位进行局部定位照射，产生SET脉冲信号作为叠加在预设信号上的模拟辐射噪声信号，从而形成SARADC电路中数字控制信号的逻辑门输出端输出的测试信号。采用脉冲激光照射的数字控制信号V4的逻辑门部位来产生SET脉冲信号，一方面由此形成的SET脉冲信号可以很好的模拟SAR ADC电路在收到辐射干扰时所形成的噪声信号，另一方面利用脉冲激光照射形成的SET脉冲信号也较为稳定可控，更容易满足对辐射噪声信号的模拟需求。

同时，在实际应用中，建议使用SAR ADC电路中数字控制信号V4采用面积较大、驱动能力较强的逻辑门输出SET脉冲信号，将其与其他数字逻辑门以一定间隔摆放，一方面，方便脉冲激光进行局部照射时更准确的进行照射定位，另一方面也更有利于控制其输出SET脉冲信号的强度和稳定性，形成较为稳定可控的模拟辐射噪声信号。

步骤1.3：设置各可控加热器件的温度增速和目标温度，控制各可控加热器件按照设置的温度增速从当前温度加热至目标温度，使得SAR ADC电路上的各可控加热器件布置位置形成当前温度至目标温度的温度分布区间，并对温度分布区间情况加以记录。

该步骤中，对每个不同可控加热器件的温度增速和目标温度分别进行设置。也就是说，不同可控加热器件的温度增速和目标温度可以相同，也可以不同，具体可以根据实际需要情况而定。

步骤1.4：在可控加热器件从当前温度加热至目标温度的时段区间，采集SAR ADC电路的DAC输出端的输出信号，并与测试信号中的预设信号进行误码率比较，统计出该温度分布区间情况下SARADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化。

该步骤中，采集SAR ADC电路的DAC输出端的输出信号并与测试信号中的预设信号进行误码率比较的具体方式是，通过导线引出SAR ADC电路中数字控制信号V4的逻辑门输出端以及DAC输出端的信号，观测和记录所述数字控制信号V4的逻辑门输出端输出的SET脉冲信号以及DAC输出端输出的输出信号，比较二者的码字差别变化情况，从而统计出相应温度分布区间情况下SAR ADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化。

步骤1.5：对各可控加热器件分别设置不同的温度增速和目标温度，形成从不同当的前温度加热至不同的目标温度的多个不同温度分布区间，进而针对每个不同的温度分布区间执行步骤1.2~1.4，统计在不同温度分布区间情况下SAR ADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化，进而得到SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据。

该步骤中，每次设置的温度增速和目标温度可以都不相同；例如第一次可以从当前温度-5°设置目标温度10°形成一个温度分布区间，以1°/min为温度增速，执行步骤1.2~1.4统计确定该温度分布区间情况下SAR ADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化；第二次可以从当前温度-3°设置目标温度15°形成一个温度分布区间，以1°/min为温度增速，执行步骤1.2~1.4统计确定该温度分布区间情况下SAR ADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化；第三次……；以此类推，很多不同温度分布区间情况下SAR ADC电路的输出信号相比预设信号的误码率变化，从而汇总形成SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据。

由此，得到SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据后，就可以作为备查模板数据加以存储。同时，在实际应用中，也可以针对具体电路版图设计，由物理模型可以计算得出SET脉冲经非均匀温度分布互连线传输到电容阵列开关时的形态，可以利用Verilog-A语言对控制电压瞬时扰动建模，可以在电路级仿真研究温度梯度下SET脉冲对DAC、ADC直至整体电路的影响。通过与芯片实测结果进行对比，可以验证理论模型预测的正确性。

具体而言，本发明方法的测试阶段流程如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤2.1：设置一段测温采集时长，在该测温采集时长内采集待测SAR ADC电路的当前温度分布情况

步骤2.2：将采集的当前温度分布情况与SAR ADC电路的输出误码率与温度分布的对应关系数据进行对照匹配，选择其中温度分布与步骤2.1采集的当前温度分布情况匹配最相近的一组对应关系数据，作为匹配结果对应关系数据

步骤2.3：查询该匹配结果对应关系数据中SAR ADC电路的输出误码率，作为待测SAR ADC电路在当前温度分布情况的输出误码率评估值。

通过该方法，就能够对SAR ADC电路在温度变化区间的输出误码率情况，能够有较准确的评估，从而可以基于误码率评估结果进行后续的分析研究，例如，可以有针对性地优化电路版图设计，使得温度梯度下SET脉冲的影响降低，等等。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。