運(yùn)算放大器電離總劑量效應(yīng)研究

黃東巍等

摘 要： 對(duì)某型號(hào)國(guó)產(chǎn)雙極型雙路高壓運(yùn)算放大器在不同偏置條件和不同劑量率條件下的電離總劑量效應(yīng)進(jìn)行了研究。通過對(duì)運(yùn)算放大器輻照前后的電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算得到增強(qiáng)因子，分析特殊偏置條件和低劑量率條件對(duì)運(yùn)算放大器電離總劑量效應(yīng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，偏置條件不同，運(yùn)算放大器的電離總劑量效應(yīng)表現(xiàn)出明顯差異性，各管腳短接相對(duì)于正常加電工作條件是較惡劣的一種偏置條件。在0.01 rad（si）/s低劑量率條件下，運(yùn)算放大器表現(xiàn)出潛在的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 運(yùn)算放大器； 管腳短接； 劑量率； 電離總劑量效應(yīng)

中圖分類號(hào)： TN722?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）12?0134?03

Abstract： Total ionizing dose effects on certain type of domestic bipolar dual?way high?voltage operational amplifier under the conditions of different bias and different dose rate is studied. The enhancement factor is obtained by testing the electrical parameters before and after irradiation of operational amplifier. The impact of special bias and low dose rate on total ionizing dose effect of operational amplifier is analysed. The test results show that， under different bias conditions， the total ionizing dose effect of operational amplifier reveals significant difference， Each?pin?short?joint is a more severe bias condition compared with the normal power working conditions. Under the low dose rate condition of 0.01 rad （si）/s， operational amplifiers exhibit a potential enhancement effect of low dose rate.

Keywords： operational amplifier； each?pin?short?joint； dose rate； total ionizing dose effect

0 引 言

運(yùn)算放大器具有良好的線性和高電流驅(qū)動(dòng)能力，廣泛應(yīng)用于空間系統(tǒng)中。然而，由于空間電離輻射環(huán)境的存在，導(dǎo)致運(yùn)算放大器的性能發(fā)生退化，從而嚴(yán)重降低電子系統(tǒng)的可靠性。近年來，雖然國(guó)內(nèi)對(duì)運(yùn)算放大器的輻射效應(yīng)已進(jìn)行了一些研究[1?3]，但大都針對(duì)于國(guó)外產(chǎn)品，且未涉及各管腳短接等特殊偏置條件。

本文選用某型號(hào)國(guó)產(chǎn)運(yùn)算放大器，在不同偏置條件和不同劑量率條件下進(jìn)行電離總劑量效應(yīng)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

對(duì)某型號(hào)國(guó)產(chǎn)雙極型雙路高壓運(yùn)算放大器進(jìn)行了電離總劑量試驗(yàn)，其內(nèi)部包含兩路通用高速高增益運(yùn)放，功能是對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行線性放大。試驗(yàn)樣品為同型號(hào)同批次產(chǎn)品。輻照總劑量為100 krad（si），劑量率選用50 rad（si）/s，0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s，其中在新疆理化所鈷60伽馬射線源上進(jìn)行50 rad（si）/s和0.1 rad（si）/s劑量率條件下的試驗(yàn)，在上海計(jì)量院鈷60伽馬射線源上進(jìn)行0.01 rad（si）/s劑量率條件下的試驗(yàn)。輻照后電參數(shù)測(cè)試采用移位測(cè)試方法，移位參數(shù)測(cè)量時(shí)間不超過1 h。輻照前后的主要測(cè)試電參數(shù)有輸入失調(diào)電壓（Vio）、輸入偏置電流（Iib）、輸入失調(diào)電流（Ios）和開環(huán)增益（AV） 等。在運(yùn)算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態(tài)下，各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量， 并對(duì)主要電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

在運(yùn)算放大器正常加電工作狀態(tài)下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s，0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到總劑量100 krad（si）， 并對(duì)主要電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同偏置條件

在運(yùn)算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態(tài)下，各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量，并對(duì)主要電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。圖1中，（a）為運(yùn)算放大器各管腳短接（不加電）示意圖，（b）為正常加電工作狀態(tài)示意圖。

令電參數(shù)變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數(shù)值-輻照前參數(shù)值）÷輻照前參數(shù)值。先計(jì)算每只樣品輻照前后的各電參數(shù)變化百分比，再對(duì)4只樣品的各電參數(shù)變化百分比求平均值，數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

從表1和表2中看到，在各管腳短接和正常加電條件下，經(jīng)過輻照后的各試驗(yàn)樣品，其輸入偏置電流（Iib）均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，開環(huán)增益（AV）均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。其余主要電參數(shù)也呈現(xiàn)出不同程度變化。

令增強(qiáng)因子[4?5]為E，E=⊿短接/⊿正常加電，結(jié)果如圖2所示。從圖2中看出，在50 rad（si）/s劑量率條件下，輻照到100 krad（si）總劑量時(shí)，運(yùn)算放大器的絕大部分電參數(shù)的E值大于1，即在各管腳短接條件下的變化量大于正常加電條件下的變化量，最大差異可達(dá)8倍。相對(duì)于正常加電條件，運(yùn)算放大器各管腳短接偏置條件是相對(duì)惡劣的一種偏置條件。

2.2 不同劑量率條件

在運(yùn)算放大器正常加電工作狀態(tài)下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到100 krad（si）總劑量， 并對(duì)主要電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

同樣，令參數(shù)變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數(shù)值-輻照前參數(shù)值）÷輻照前參數(shù)值。先計(jì)算每只樣品輻照前后的各電參數(shù)變化百分比，再對(duì)4只樣品的各電參數(shù)變化百分比求平均值。數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，經(jīng)過輻照后的各試驗(yàn)樣品，其輸入偏置電流均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，開環(huán)增益均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。其余主要電參數(shù)也呈現(xiàn)出不同程度變化。

令E（增強(qiáng)因子）=⊿低劑量率/⊿劑量率，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

3 結(jié) 論

在不同偏置條件和不同劑量率條件下，對(duì)某型號(hào)國(guó)產(chǎn)運(yùn)算放大器進(jìn)行了電離總劑量效應(yīng)研究。將運(yùn)算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于正常加電條件，各管腳短接是相對(duì)惡劣的一種偏置條件。將運(yùn)算放大器在不同劑量率條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.01 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量時(shí)，運(yùn)算放大器具有潛在的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1] PEASE R L. Total ionizing dose effects in bipolar devices and circuits [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 2003， 50（3）： 539?551.

[2] TITUS J L， EMILY D， KRIEG J F， et al. Enhanced low dose rate sensitivity （ELDRS） of linear circuits in a space environment [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 1999， 46（6）： 1608?1615.

[3] 鄭玉展，陸嫵，任迪遠(yuǎn)，等.雙極運(yùn)算放大器輻射損傷效應(yīng)研究[J].核技術(shù)，2008，31（4）：270?274.

[4] JOHNSTON A H， SWIFT G M， RAX B G. Total dose effects in conventional bipolar transistors and linear integrated circuits [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 1994， 41（6）： 2427?2436.

[5] HJALMARSON H P， PEASE R L， WITCZAK S C， et al. Mechanisms for radiation dose?rate sensitivity of bipolar transistors [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 2003， 50（6）： 1901?1909.

[6] 陸嫵，余學(xué)峰，任迪遠(yuǎn)，等.雙極晶體管不同劑量率的輻射效應(yīng)和退火特性[J].核技術(shù)，2005，28（10）：755?758.

2.2 不同劑量率條件

在運(yùn)算放大器正常加電工作狀態(tài)下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到100 krad（si）總劑量， 并對(duì)主要電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

同樣，令參數(shù)變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數(shù)值-輻照前參數(shù)值）÷輻照前參數(shù)值。先計(jì)算每只樣品輻照前后的各電參數(shù)變化百分比，再對(duì)4只樣品的各電參數(shù)變化百分比求平均值。數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，經(jīng)過輻照后的各試驗(yàn)樣品，其輸入偏置電流均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，開環(huán)增益均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。其余主要電參數(shù)也呈現(xiàn)出不同程度變化。

令E（增強(qiáng)因子）=⊿低劑量率/⊿劑量率，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

3 結(jié) 論

在不同偏置條件和不同劑量率條件下，對(duì)某型號(hào)國(guó)產(chǎn)運(yùn)算放大器進(jìn)行了電離總劑量效應(yīng)研究。將運(yùn)算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于正常加電條件，各管腳短接是相對(duì)惡劣的一種偏置條件。將運(yùn)算放大器在不同劑量率條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.01 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量時(shí)，運(yùn)算放大器具有潛在的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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[6] 陸嫵，余學(xué)峰，任迪遠(yuǎn)，等.雙極晶體管不同劑量率的輻射效應(yīng)和退火特性[J].核技術(shù)，2005，28（10）：755?758.

2.2 不同劑量率條件

在運(yùn)算放大器正常加電工作狀態(tài)下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到100 krad（si）總劑量， 并對(duì)主要電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

同樣，令參數(shù)變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數(shù)值-輻照前參數(shù)值）÷輻照前參數(shù)值。先計(jì)算每只樣品輻照前后的各電參數(shù)變化百分比，再對(duì)4只樣品的各電參數(shù)變化百分比求平均值。數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，經(jīng)過輻照后的各試驗(yàn)樣品，其輸入偏置電流均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，開環(huán)增益均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。其余主要電參數(shù)也呈現(xiàn)出不同程度變化。

令E（增強(qiáng)因子）=⊿低劑量率/⊿劑量率，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

3 結(jié) 論

在不同偏置條件和不同劑量率條件下，對(duì)某型號(hào)國(guó)產(chǎn)運(yùn)算放大器進(jìn)行了電離總劑量效應(yīng)研究。將運(yùn)算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于正常加電條件，各管腳短接是相對(duì)惡劣的一種偏置條件。將運(yùn)算放大器在不同劑量率條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.01 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量時(shí)，運(yùn)算放大器具有潛在的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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