宇航用國產(chǎn)高精度運算放大器應(yīng)用驗證研究

朱英瑋，孫海欽，李金，吳振廣，魏文超

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

高精度運算放大器常搭配不同外圍電路實現(xiàn)加法器、乘法器、信號發(fā)生器等功能，廣泛應(yīng)用于宇航裝備中。多年來高精度運算放大器主要依賴進口，通常選用進口AD、TI和ST公司相關(guān)產(chǎn)品，然而進口元器件不僅面臨禁運和停產(chǎn)斷貨的可能[1-3]，還存在安全風(fēng)險、可靠性風(fēng)險及自主可控問題[4]，因此，開展宇航用國產(chǎn)高精度運算放大器應(yīng)用驗證工作，尋求可靠的國產(chǎn)化方案具有重要意義。

本文基于國產(chǎn)高精度運算放大器在宇航產(chǎn)品中的應(yīng)用，從功能、性能、可靠性和電氣環(huán)境適應(yīng)性等方面出發(fā)，開展國產(chǎn)高精度運算放大器應(yīng)用驗證分析，制定驗證實施方案，為國產(chǎn)高精度運算放大器的可用性和適用性明確結(jié)論，提升元器件自主保障和自主可控能力，為航天系統(tǒng)應(yīng)用和后續(xù)推廣奠定基礎(chǔ)。

1 器件簡介

高精度運算放大器可以通過不同組合形式來實現(xiàn)加法器、乘法器、信號發(fā)生器等功能，可應(yīng)用于DC-DC變換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、有源濾波器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、高速數(shù)模接口、放大系統(tǒng)和功放等電路中[8]。宇航領(lǐng)域中，國產(chǎn)高精度運算放大器的研制單位包括中電24所、航天771所、871廠、4433廠，主要對標(biāo)進口AD、TI、ST公司產(chǎn)品。如圖1所示，國產(chǎn)高精度運算放大器內(nèi)部一般包括輸入級、增益級、輸出級、偏置電路和補償電路，常選用BJT工藝[6]，具有高輸出阻抗、低偏執(zhí)電流、低失調(diào)、低漂移特性、低噪聲和低功耗等特點[7]。

圖1 國產(chǎn)高精度運算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 國產(chǎn)高精度運算放大器實物圖

國產(chǎn)器件在共模輸入電壓范圍、電源電壓抑制比、輸出電壓幅度工作溫度、封裝尺寸等方面與進口器件相近，部分器件規(guī)格的轉(zhuǎn)化速率相比進口產(chǎn)品略下降，抗輻指標(biāo)和質(zhì)量等級甚至高于進口器件。

2 應(yīng)用驗證需求分析及驗證項目設(shè)計

從應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用場景、應(yīng)用電路三個層面逐級分析國產(chǎn)高精度運算放大器的應(yīng)用驗證需求。主要包括功能性能驗證需求、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性、熱學(xué)環(huán)境適應(yīng)性、工藝裝聯(lián)適應(yīng)性。

2.1 功能性能驗證需求

由于高精度運算放大器的具體功能需要視實際應(yīng)用電路而定，而高精度運算放大器的典型應(yīng)用包括同相比例運算、電壓跟隨器、差分放大、負(fù)電壓測量和正弦發(fā)生等功能電路，因此，需要在典型應(yīng)用電路中驗證高精度運放的功能和精度、溫漂系數(shù)、轉(zhuǎn)換速率等性能參數(shù)；需要通過電源極限拉偏、溫度極限拉偏、頻率極限拉偏和輸入信號極限拉偏等方式驗證高精度運算放大器的實際應(yīng)用邊界[5]；還需要對高精度運算放大器長時間工作的穩(wěn)定性和拉偏狀態(tài)下的可靠性進行驗證。

2.2 熱學(xué)環(huán)境適應(yīng)性驗證需求

對于宇航應(yīng)用環(huán)境，需要通過熱真空環(huán)境試驗來驗證高精度運算放大器在真空環(huán)境下的熱特性，驗證成熟的散熱設(shè)計與國產(chǎn)器件熱特性的匹配性。還需要通過溫度循環(huán)等熱學(xué)試驗驗證高精度運算放大器在不同散熱安裝方式下的熱學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。

2.3 力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性驗證需求

對于宇航級抗輻照高精度運算放大器，需要在通用板卡實際裝配條件下，針對宇航裝備最惡劣的力學(xué)環(huán)境剖面，開展力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性驗證。

針對彈上產(chǎn)品應(yīng)用，需要進行長時間振動力學(xué)適應(yīng)性來驗證器件在長時間飛行狀態(tài)下的可靠性；針對箭載產(chǎn)品應(yīng)用，需進行更高量級的力學(xué)條件試驗，驗證器件在火箭主動段實際應(yīng)用場景下的可靠性。

2.4 應(yīng)用驗證項目設(shè)計

針對宇航用國產(chǎn)高精度運算放大器的應(yīng)用驗證需求設(shè)計驗證項目，如下表1所示，主要進行功能性能評價、可靠性評價、應(yīng)用適應(yīng)性及環(huán)境適應(yīng)性評價。

表1 驗證項目設(shè)計

3 應(yīng)用驗證方案設(shè)計

3.1 應(yīng)用驗證流程

宇航用國產(chǎn)高精度運算放大器基礎(chǔ)驗證流程如下圖所示，先進行質(zhì)量保證工作，合格后搭建驗證平臺對國產(chǎn)器件開展驗證工作，二者的驗證數(shù)據(jù)和結(jié)論可以為后續(xù)的單機/單板級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級驗證提供設(shè)計依據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)。

圖3 應(yīng)用驗證流程圖

3.2 應(yīng)用驗證平臺設(shè)計

宇航用國產(chǎn)高精度運算放大器的通用驗證平臺總體設(shè)計框架如下圖所示，主要由PC機及上位機軟件、通用母板、通用儀表、環(huán)境試驗設(shè)備、待驗證器件子卡等部分構(gòu)成。

圖4 應(yīng)用驗證平臺設(shè)計框架

PC機及配套的上位機軟件主要提供整個驗證平臺的人機交互界面，通過通訊接口進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對通用驗證平臺的控制，對輸入信號、電壓、電流及溫度進行采集，實現(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)自動解析和通訊等功能。通用母板主要實現(xiàn)對被測器件的控制、不同測試項目的自動化切換、模擬信號的采集、數(shù)據(jù)傳輸、異常保護及報警等，包含電壓波形檢測記錄、電流檢測記錄等功能。通用儀表包括如萬用表、電流鉗、示波器、信號發(fā)生器、數(shù)字電源、電子負(fù)載等通用設(shè)備，PC機通過控制接口實現(xiàn)對通用儀表的自動化控制，并收集各儀表采集到的測試數(shù)據(jù)。被測器件通過特定裝聯(lián)工藝焊接安裝在子卡上，子卡與母卡間通過接插件直插的方式進行互連。子卡上還包括力學(xué)試驗所需的工裝固定接口、熱學(xué)試驗所需的溫度檢測電路等。

由于待驗證的元器件面臨類型多樣、廠家應(yīng)用電路不同、功能存在差異、封裝各異、性能指標(biāo)不同、測試項目繁多、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)在兼容性、綜合性上、實用性等方面要求很高。而通用驗證平臺可以高效準(zhǔn)確地采集、存儲和分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以波形、數(shù)字等形式直觀且有效地展現(xiàn)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，為研究高精度運算放大器的應(yīng)用特性提供有效的依據(jù)和保障。

高精度運算放大器通用驗證平臺的軟件由上位機和下位機兩部分組成。上位機的硬件為PC機或工控機等。下位機的硬件載體即為高精度運算放大器功能性能驗證通用板卡。

高精度運算放大器通用驗證平臺的上位機軟件流程圖如下圖所示。根據(jù)應(yīng)用所需要的功能，將程序分為參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、波形顯示模塊、通訊模塊、儀器程控模塊、狀態(tài)顯示及報警模塊和數(shù)據(jù)解析模塊。

圖5 應(yīng)用驗證平臺上位機軟件設(shè)計框架

高精度運算放大器通用驗證平臺的下位機軟件設(shè)計框架如下圖所示。驗證子板上電后，F(xiàn)PGA程序處于待機狀態(tài)等待上位機指令，接到上位機發(fā)來的指令后，模塊軟件進行解析，判斷指令是否可執(zhí)行，不可執(zhí)行直接反饋指令執(zhí)行失敗，可執(zhí)行后針對功能模式選擇，對參數(shù)配置、A/D采集、復(fù)位模式進行選擇FPGA做出響應(yīng)。FPGA響應(yīng)完成自動關(guān)閉并向上位機反饋數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)上傳完畢后，F(xiàn)PGA程序進入等待狀態(tài)，等待下一條指令。

圖6 應(yīng)用驗證平臺下位機軟件設(shè)計框架

4 結(jié)語

高精度運算放大器在宇航產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，提升自主可控能力十分必要。本文通過對宇航用高精度運算放大器的應(yīng)用環(huán)境和驗證需求進行了分析，制定了應(yīng)用驗證實施方案，為國產(chǎn)高精度運算放大器的可用性和適用性明確結(jié)論，為國產(chǎn)高精度運算放大器在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用和后續(xù)推廣奠定基礎(chǔ)。