基于電壓補(bǔ)償?shù)木w管直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)

魯 藝

(中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所,綿陽 621900)

在輻射模擬源低中子注量試驗(yàn)方法研究中，為了獲得不同中子注量及注量率下電子學(xué)材料及元器件性能的變化規(guī)律，發(fā)展輻射致材料或器件性能變化的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以及有效的表征手段非常重要。國內(nèi)外大量研究表明，雙極晶體管在低注量率輻照下會(huì)出現(xiàn)明顯的低γ注量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)(ELDRS)，且注量率越低，損傷越嚴(yán)重[1-6]。但是，在低注量率輻射環(huán)境，甚至極低注量率輻射環(huán)境下，晶體管器件是否同樣存在低中子注量率輻射增強(qiáng)效應(yīng)，目前還未見相關(guān)報(bào)道，其內(nèi)在損傷機(jī)理也尚不明確。為了準(zhǔn)確評(píng)估低中子注量輻射環(huán)境對(duì)晶體管器件性能的影響，獲得器件在不同中子注量下的輻射損傷效應(yīng)以及損傷閾值，需要研制適用于不同中子注量水平的晶體管器件效應(yīng)在線測(cè)試系統(tǒng)[7]。

本文以晶體管直流增益作為中子輻射損傷效應(yīng)的宏觀表征參數(shù)，采用電壓補(bǔ)償方法解決了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中因晶體管工作電壓損耗引起的測(cè)量誤差，并通過模塊化軟件架構(gòu)以及電壓回讀技術(shù)，建立了晶體管直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同中子注量輻照下晶體管直流增益的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了輻照期間晶體管直流增益隨不同中子注量的變化規(guī)律，為晶體管的中子輻射損傷效應(yīng)評(píng)估提供了重要的測(cè)試依據(jù)。

1 中子輻照下晶體管直流增益在線監(jiān)測(cè)原理

晶體管直流增益的測(cè)試電路，如圖1所示。圖中，利用外部電源和信號(hào)源給晶體管施加合適的集電極工作電壓VCC、基極電壓VBB，將電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的集電極電流IC和基極電流IB。雙極晶體管的直流增益為

(1)

式中，RC為晶體管集電極偏置電阻；RB為晶體管基極偏置電阻；VRB為晶體管基極-發(fā)射極電壓；VRC為晶體管集電極-發(fā)射極電壓。

圖1晶體管直流增益測(cè)試電路Fig.1Testing circuit of transistor DC gain

中子輻照晶體管時(shí)，在小電流注入條件下，中子輻射對(duì)晶體管的直流增益影響顯著，此時(shí)直流增益隨中子輻照注量的變化關(guān)系為

=K′·t·Φ=K·Φ

(2)

可以看出，只要實(shí)時(shí)獲得VCC，VBB，VRC和VRB，就可以得到中子輻照期間晶體管直流增益隨中子輻照注量的變化關(guān)系。

2 直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)研制

2.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)中子注量率測(cè)量實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和要求，直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)采用典型的虛擬儀器平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。以計(jì)算中心為核心，下位機(jī)采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算中心處理，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件中并在用戶界面上實(shí)時(shí)顯示。

圖2測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)圖Fig.2Structure of testing system

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。主要包括多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)試轉(zhuǎn)接盒、電壓補(bǔ)償器、任意波形發(fā)生器、高精度可編程電源、40芯屏蔽雙絞電纜、計(jì)算機(jī)顯示終端和數(shù)據(jù)采集分析軟件(用于遠(yuǎn)程獲取雙極晶體管受照射過程中的直流增益信息)。其中，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為硬件設(shè)備提供控制信號(hào)，完成對(duì)晶體管工作點(diǎn)電壓的實(shí)時(shí)采集，由數(shù)據(jù)采集分析軟件完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理、存儲(chǔ)、顯示等功能。

圖3測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成Fig.3Composition of testing system

電壓補(bǔ)償器與測(cè)試轉(zhuǎn)接盒相配合，將晶體管的VCC，VBB，VRB，VRC反饋至多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)與電源之間采用通信方式相連接，通過對(duì)電源電壓的采集、回讀、控制和反饋，調(diào)節(jié)外部電源電壓，以補(bǔ)償由長線傳輸引起的電壓損耗。

計(jì)算機(jī)顯示終端負(fù)責(zé)晶體管器件的狀態(tài)監(jiān)控和相關(guān)人機(jī)接口控制，完成參數(shù)配置、在線顯示、數(shù)據(jù)保存等任務(wù)，具有良好的人機(jī)交互功能。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

從圖3可知，電壓補(bǔ)償器作為系統(tǒng)中用于接收和反饋信號(hào)的核心部件，位于輻射大廳，一端通過長約10 m的信號(hào)電纜與輻照晶體管連接，另一端則通過長約100 m屏蔽雙絞電纜與測(cè)量間的測(cè)試系統(tǒng)相連，將VCC，VBB，VRB和VRC反饋至測(cè)試轉(zhuǎn)接盒。為避免電阻直接受中子輻照引起性能下降，產(chǎn)生測(cè)量誤差，將輻照板上的電阻RB，RC與晶體管分開，放置于電壓補(bǔ)償器中。

轉(zhuǎn)接盒作為電壓補(bǔ)償器與信號(hào)采集系統(tǒng)之間的接口板，放置于測(cè)試間，具有信號(hào)輸入/輸出轉(zhuǎn)接接口的功能，通過長電纜將電源電壓回讀信號(hào)VCC以及VBB送至采集系統(tǒng)輸入端口，同時(shí)將電源輸出反饋至電源監(jiān)測(cè)端口。

晶體管工作時(shí)，穩(wěn)定的工作電壓是提高測(cè)試精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此要選用高精度電源為晶體管提供工作電壓。同時(shí)，在輻照過程中晶體管的直流增益將隨輻照注量的變化而不斷變化，測(cè)試中以選定的集電極電流IC為限定值，而為了讓基極電流IB滿足IC的測(cè)試條件，應(yīng)由信號(hào)源為晶體管的基極提供一個(gè)鋸齒波輸入脈沖，且信號(hào)幅度和頻率必須滿足測(cè)試要求。另外，電源與上位機(jī)之間采用通訊方式將回讀電壓與輸出電壓進(jìn)行比較，并控制電源對(duì)電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

為了使計(jì)算機(jī)能有效地控制這些硬件設(shè)備，采用PXI系列高速采集驅(qū)動(dòng)控制器為其他硬件提供控制信號(hào)，利用采集卡上的硬件資源進(jìn)行參數(shù)配置和通道選擇，控制多通道同步采集卡采集每只晶體管在輻照期間的電參數(shù)，通過通信接口控制電源電壓的回讀和自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制命令交互，最后利用系統(tǒng)后期處理模塊進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形顯示等。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示模塊。系統(tǒng)測(cè)試軟件流程圖，如圖4所示。

圖4系統(tǒng)測(cè)試軟件流程圖Fig.4Flow chart of system software

采用LabVIEW中的隊(duì)列(Queue)技術(shù)，將數(shù)據(jù)采集模塊作為一個(gè)獨(dú)立任務(wù)；數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)和顯示模塊也分別放在各自的任務(wù)當(dāng)中，使它們能夠并行運(yùn)行。各模塊之間以多任務(wù)形式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶操作的功能。

圖5為測(cè)試系統(tǒng)中采用的隊(duì)列架構(gòu)。3個(gè)并行任務(wù)系統(tǒng)主要由3個(gè)循環(huán)框架和隊(duì)列技術(shù)構(gòu)成。第一個(gè)循環(huán)主要完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并將采集到的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列；第二個(gè)循環(huán)完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)然后進(jìn)行算法處理，再將處理過的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列；最后一個(gè)循環(huán)主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示，從隊(duì)列中取出處理數(shù)據(jù)存入文本中，同時(shí)在圖表中繪制數(shù)據(jù)。另外，將人機(jī)交互也放入第三個(gè)循環(huán)當(dāng)中，以減少任務(wù)之間的切換和響應(yīng)時(shí)間。

圖5隊(duì)列架構(gòu)圖Fig.5Architecture of queue

3 直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性驗(yàn)證

直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)建立后，首先對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性的驗(yàn)證考核，測(cè)試系統(tǒng)照片如圖6所示。

圖6測(cè)試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.6Photo of the testing system

采用實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)(無輻照)的方法進(jìn)行測(cè)試，將經(jīng)過嚴(yán)格篩選的NPN型晶體管BCX41和PNP型晶體管3CK3B各5只作為測(cè)試對(duì)象，分別用Q1，Q2，Q3，Q4，Q5表示，分別通過長線連接在系統(tǒng)上，系統(tǒng)通電5 min后，啟動(dòng)測(cè)量，每間隔10 s測(cè)量一次晶體管的直流增益hFEi。穩(wěn)定性，即系統(tǒng)的測(cè)試精度w可依據(jù)式(3)計(jì)算，當(dāng)w≤1%時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)試精度就滿足實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用要求。

(3)

直流增益隨測(cè)試時(shí)間的變化，如圖7所示。從圖7(a)和圖7(b)可以看出，在靜態(tài)條件下，5只晶體管的直流增益隨測(cè)試時(shí)間的變化關(guān)系一致，將測(cè)試數(shù)據(jù)代入式(3)，得到w為0.2%，這一結(jié)果證明，研制的測(cè)試系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性，滿足實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用要求。

(a)BCX41

(b)3CK3B

3.2 直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

利用研制的晶體管直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)，以BCX41和3CK3B兩種晶體管器件作為試驗(yàn)樣品，在CFBR-II堆上開展了不同中子輻照注量效應(yīng)試驗(yàn)，分別獲得了輻照功率為2，20，200 W下晶體管的直流增益變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖8—圖10所示。

(a)BCX41 (b)3CK3B

圖8輻照功率為2W時(shí)，晶體管直流增益測(cè)試結(jié)果
Fig.8DCgainoftransistorunder2Wirradiation

(a)BCX41 (b)3CK3B

圖9輻照功率為20W時(shí)，晶體管直流增益測(cè)試結(jié)果
Fig.9DCgainoftransistorunder20Wirradiation

(a)BCX41 (b)3CK3B

圖10輻照功率為200W時(shí)，晶體管直流增益測(cè)試結(jié)果
Fig.10DCgainoftransistorunder200Wirradiation

結(jié)果表明，研制的直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性，且可以實(shí)時(shí)跟隨輻照中子注量的變化，在線獲得輻照晶體管的直流增益變化曲線。

4 結(jié)論

利用雙極晶體管在中子輻照下的硅位移損傷特性，成功研制了晶體管直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，通過多任務(wù)并行處理的模塊化程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)、高效率同步采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及顯示；采用回讀技術(shù)建立了電壓補(bǔ)償方法，解決了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中因電壓損耗帶來的測(cè)量誤差，系統(tǒng)的測(cè)試精度高達(dá)0.2%。

該系統(tǒng)通過了穩(wěn)定性測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了在CFBR-II堆上的中子注量率效應(yīng)試驗(yàn)考核，獲得了器件的輻射損傷數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，研制的直流增益在線測(cè)量系統(tǒng)可滿足不同中子注量率范圍的測(cè)量要求，具有較高的測(cè)量精度和可靠性，為晶體管器件的中子注量率增強(qiáng)效應(yīng)研究提供了重要的測(cè)試手段。