Автоматизированное макромоделирование для прогнозирования функциональной и параметрической реакции аналоговых микроэлектронных схем на радиационное воздействие тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Лукичев Алексей Николаевич

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ

И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ АНАЛОГОВЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ НА РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

1 6 СЕН 2010

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 2010 г.

004608096

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Орлов Игорь Яковлевич;

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Киселев Владимир Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Оболенский Сергей Владимирович,

кандидат физико-математических наук, заведующий отдела ИФМ РАН Вакс Владимир Лейбович.

Ведущая организация: Российский Федеральный Ядерный Центр -

Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

Защита состоится « Л 2010 г. в на заседании

диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского (603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп^_, ауд/^Л^ ).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим отправлять по указанному адресу учёному секретарю совета.

Автореферат разослан

«¿т^» 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент • -р Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы

Как правило, радиационно-стойкие электронные компоненты устанавливаются в радиоэлектронных системах, используемых в измерительных комплексах, имеющих важное народнохозяйственное значение. Это обусловливает довольно жесткие требования по безотказности элементной базы радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому задача обеспечения радиационной стойкости интегральных микросхем и аппаратуры является исключительно актуальной. Так, например, поставлена задача увеличения гарантированного срока службы космических аппаратов до 15 лет, что особенно актуально для группировки «ГЛОНАСС». Другой важной особенностью современного этапа разработки электронной аппаратуры является все возрастающая её сложность. Разработчик в настоящее время стоит перед необходимостью разрабатывать и исследовать электронные схемы, состоящие из тысяч компонентов и электронной компонентной базы, в составе которой несколько миллионов транзисторных структур.

Многочисленные испытания интегральных микросхем свидетельствует о том, что радиационная стойкость однотипных микросхем существенно отличается не только из-за разнообразия технологии изготовления и конструктивного оформления, но и в зависимости от функционального назначения и схемотехнической реализации электронных устройств на основе данной интегральной микросхемы. Поэтому проблема повышения радиационной стойкости электронной аппаратуры не может быть решена в рамках традиционного подхода, ориентированного, в основном, на количественное накопление и систематизацию конкретных, но частных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Естественно, что неавтоматизированные методы измерения при всех их достоинствах вряд ли могут удовлетворить высоким современным требованиям. Появление на рынке программно-управляемых измерительных приборов, а также развитие вычислительной техники привели к возможности создания автоматизированных измерительных систем. Таким образом, актуальной становится задача синтеза алгоритмов моделирования радиационного воздействия на микроэлектронные узлы и создания автоматизированных измерительных комплексов для исследования радиационной стойкости микроэлектронных узлов.

Цель работы

Целью диссертационной работы является создание методов автоматизированного макромоделирования для прогнозирования функциональной и параметрической реакции аналоговых микроэлектронных схем на импульсное радиационное воздействие.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Проведены исследования возможности создания сопряженных с автоматизированной измерительной системой макромоделей аналоговых микроэлектронных схем.

2. Разработана автоматизированная измерительная система, адаптированная к условиям радиационного эксперимента.

3. Разработаны методы автоматизированного макромоделирования для прогнозирования функциональной и параметрической реакции аналоговых микроэлектронных схем на импульсное радиационное воздействие.

4. Проведены экспериментальные исследования радиационного воздействия на аналоговые микросхемы.

5. Реализованы методы макромоделирования в условиях проведения радиационного эксперимента с импульсными полями ионизирующего излучения.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы радиофизических измерений, принципы построения измерительных систем, полупроводниковая электроника, схемотехника, математическое моделирование, методы статистической радиофизики, методы экспериментального исследования при воздействии ионизирующего излучения.

Научная новизна работы

1. Предложен метод построения макромодели исследуемого объекта, который позволяет прогнозировать функциональную и параметрическую реакцию на импульсное радиационное воздействие.

2. Обоснованы и разработаны конфигурация автоматизированной измерительной системы для анализа аналоговых электронных схем и алгоритмы управления измерительным оборудованием в составе автоматизированной измерительной системы.

3. Синтезированы буферные устройства для наращивания мощности аппаратно-программного комплекса, адаптеры сопряжения источников питания аппаратно-программного комплекса.

4. Проведено экспериментальное исследс-ание воздействия ионизирующего излучения на микросхемы операционных усилителей с использованием автоматизированной измерительной системы.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод построения макромодели интегральных микросхем для прогнозирования реакции аналоговых и цифровых микроэлектронных схем на внешнее дестабилизирующее воздействие.

2. Конфигурация автоматизированной измерительной системы, адаптированной для получения данных, необходимых при построении макромодели исследуемого объекта.

3. Алгоритм, обеспечивающий реализацию метода макромоделирования в автоматизированной системе.

4. Экспериментальные исследования применимости макромоделированпя для прогнозирования радиационной реакции микросхем операционных усилителей.

Теоретическая п практическая значимость работы

1. Разработанная аппаратно-интегрированная модель передаточных функций может использоваться для анализа и синтеза радиоэлектронных систем, стойких к радиационному воздействию.

2. При ограниченных возможностях экспериментальной базы применение метода макромоделирования дает возможность прогнозировать функциональную и параметрическую реакцию аналоговых микроэлектронных схем на импульсное радиационное воздействие с большими параметрами нагружения. Полученные данные являются исходной информацией для работы по оптимизации исследуемых характеристик.

3. Применение автоматизированной измерительной системы, использующей макромодели может стать перспективным направлением в исследовании, анализе и синтезе изделий радиоэлектронной аппаратуры.

Использование научных результатов

Полученные в диссертации результаты использованы в научно-исследовательских работах «Автоматика-Гибрид», «Измеритель», «Момент» во ФГУП ФНПЦ "Научно-исследовательском институте измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" г. Н. Новгород.

Апробация результатов работы

Результаты исследований доложены на конференции по радиофизике в ННГУ (2006 г.), на международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии - ИСТ-2008», на конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» в Сарове (2009 г.).

Публикации

По результатам работы опубликованы б статей в центральных рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК; опубликованы материалы доклада в Трудах научных конференций по радиофизике в ННГУ.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 108 наименования. Объем диссертации составляет 124 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются состояние и актуальность предмета исследования, краткий обзор известных результатов по теме диссертации, цели и структура работы.

В первой главе рассматриваются методы макромоделирования реакции радиоэлектронных схем на внешнее воздействие; рассмотрен ряд подходов к решению задачи по построению макромодели электронных схем; разработана аппаратно-интегрированная модель передаточной функции типа «вход-выход»; предложена новая методика определения реакции облучаемых образцов радиоэлектронной аппаратуры на действие ионизирующего излучения.

Подавая на вход анализируемого устройства тестовые сигналы (время подачи не имеет значения) и, контролируя в лабораторных условиях ответную реакцию устройства (отклик), можно получить передаточную характеристику Т(/со) или которую, сворачивая в интеграл Дюамеля во втором случае,

или используя обратное преобразование Фурье к произведению Фурье-образа заданного сигнала с Т(/<и) в первом, получают отклик системы. Удобнее работать с Фурье-преобразованиями, так как в этом случае на переходной характеристике Т{]со) можно выявить резонансные частоты а>0 и представить эту характеристику в виде

—— ; 0 < о) < (со0 - <их)

Л(ы) ; (ш0 - а>х) < ы < (ы0 + о^) (1)

где обозначено: <у0 - резонансная частота;

ы0 — а>1- нижняя граница резонанса; со0 + а>1 - верхняя граница резонанса; п - коэффициент, определяющий ослабление за

пределами полосы пропускания.

Выявление резонансов важно при сопоставлении амплитудно-временной характеристики ионизирующего излучения с передаточной характеристикой рассматриваемого устройства. Для получения Т^со) необходимо, таким

Т(/ы) =

б

образом, провести сопоставление по каналу "вход-выход" тестового входного сигнала с выходными.

К Фурье - методу получения переходной характеристики следует предъявить ряд требований, обеспечивающих его применение при анализе сложных радиационных переходных процессов:

1. Возможность получения переходных характеристик для нелинейных устройств.

2. Фиксированная эквивалентная схема терминальной модели.

3. Представление данных в реальном времени.

4. Возможность оцифровки входной информации.

Это позволяет автоматизировать процесс получения и обработки входной информации, сочетать измеритель с ЭВМ.

Указанный подход позволяет распространить такой метод для анализа реакции механических систем на ударные нагрузки, радиоэлектронных схем на электромагнитное излучение ядерного взрыва и другой класс аналогичных задач.

Пусть исследуемый объект обладает тем свойством, что при подаче на его вход сигнала х(а,1) на выходе появляется сигнал у(а,1), где а - параметр, который может принимать любое значение из заданного отрезка [а1, а2]. На сигналы х^) и ук(1) накладывается принцип причинности: для х^) = 0 при Кт -Ук(0 = О? 11 принцип однозначности: для хк(С) г при — со < £ < т.

Дополнительно накладывается условие реализации для всех сигналов преобразования 'Фурье.

Если обозначить /г[<р(0] преобразование Фурье для функции (р(£), то задача сводится к рассмотрению системы линейных уравнений вида

££=1Нкаш)р[(х,а))к] =Р[у„(9],у=1,2,3,...,п. (2)

В этой системе неизвестными являются функции Нк(]'со), относительно которых система линейна. Возведение в степени входных сигналов х^) делает векторы входных сигналов, их квадратов, кубов и более высоких степеней линейно-независимыми (исключение составляют частные случаи). Поэтому определитель системы не равен нулю и она имеет решение. Нахождение функций Нк(]а)) является решением поставленной задачи.

Особенности реализации оператора Ахк = иллюстрируются на

рис. 1.

Как следует из рис. 1, эквивалентная электрическая схема, представляющая требуемые преобразования "вход-выход", состоит из безынерционных функциональных преобразователей, выполняющих возведение в степень входного сигнала и линейных звеньев с передаточными функциями Нк(]ы) и сумматора. Предложенное решение не является единственным. Можно предложить и другие преобразующие нелинейные функции, сохраняющие отличие определителя от нуля.

Рис. 1. Блок-схема преобразования «вход-выход»

Для конечного числа дискретных частот внутри диапазона i2 система (2) решается для каждого значения дискретной частоты. Число тактовых сигналов на каждом входе определяется степенью к модели схемы, осуществляющей преобразование. Вычисление преобразования Фурье сигналов целесообразно производить на основе программ, использующих БПФ.

По приведенной выше модели была разработана программа «IYlacromodel».

Программа «Macromodel» является одним из модулей основной программы управления разработанной автоматизированной измерительной системой. Такая реализация программы позволяет получать исходные данные для построения макромодели автоматизированным способом и затем сразу их обрабатывать. Программа построения модели нелинейных радиоэлектронных цепей по результатам тестовых испытаний состоит из основной процедуры modelir и 8 дополнительных процедур. В основной процедуре проводится предварительная обработка исходных данных и производится управление всем процессам построения модели обращением к соответствующим подпрограммам.

Во второй главе рассматривается разработанная структура автоматизированной измерительной системы, выбраны и обоснованы приборные интерфейсы, благодаря которым производится управления приборами; разработаны алгоритмы управления измерительными приборами; описаны основные возможности автоматизированной измерительной системы; произведено сравнение разработанной измерительной системы с измерительной системой National Instruments.

Большое число современных автоматизированных измерительных систем, предназначенных для контроля радиоэлектронной аппаратуры, как правило, не обладают возможностью наращивания банка измерительных приборов, а, следовательно, не являются универсальными.

Предлагаемая автоматизированная измерительная система представляет собой управляющий персональный компьютер IBM PC (рис.2), в слотах которого находятся:

- две платы адаптера канала оощего пользования, предназначенные для управления как импортными, так и отечественными приборами, оборудованными внешним интерфейсом КОП;

- плата адаптера универсального контроллера сопряжения (УКС), позволяющая управлять приборами, не оборудованными внешним интерфейсом КОП, но имеющими возможность дистанционного управления.

Ушропа но г.иолп-м.пяш

Упраияюиш ЭВМ

; Ал;»пор 1 коп

. ..и а а; тгишт шитзиуг

\ Камера юн. ккчо.юда

Б5-47

-Г4-218-

-ЬеСгоу;

Ш4/2-•43-64

->С9-28-->С8-37--ГЗ-122-Г6-36

Измерительный блок

ЫЬсгпс!

Усфойаг.о шздм-м.шолп

')В.М

Сбора и обрлСхл кп /кшных

шппт-р

и

¡ст^д [=> Коммутатор ^.иррок'

,11 I 1» I

• Б5:47р 1>

Рис. 2. Структурная схема автоматизированной измерительной системы

В состав автоматизированной измерительной системы входит банк измерительных приборов, необходимых для контроля конкретного изделия радиоэлектронной аппаратуры, камера тепла-холода ЕБРЕС 5и-661, блок управляемых нагрузок и коммутатор (стенд автоматизированного контроля), предназначенный для работы, как в ручном, так и в автоматизированном режиме.

Предлагаемая архитектура системы является универсальной, то есть позволяет наращивать банк измерительных приборов. Необходимость использования двух плат адаптера КОП обусловлена различием стандартов 1ЕЕЕ-488.1 и 1ЕЕЕ-488.2. Большинство отечественных приборов обладают внешним интерфейсом КОП со стандартом 488.1.

9

Для примера приведем ряд характеристик, полученных благодаря использованию автоматизированной измерительной системы при исследовании операционного усилителя 744-УД2-1:

- амплитудная характеристика (рис.3);

- частотная характеристика (рис.4);

- осциллограмма сдвига фазы выходного сигнала от входного (рис.5);

- осциллограмма выхода интегральной схемы на рабочий режим (рис.6);

- поверхность тока потребления 1потр (ИЛ,112) интегральной схемы (рис.7);

- поверхность напряжения шумов иш (К1Д2) интегральной схемы (рис.8).

и вых. в

14

12 10

6 4 2 0

0 12 3

ивх, мВ

Рис. 3. Амплитудная характеристика

Чвых, в

40 60

Гвх, кГц

Риа 4. Частотная характеристика

о -0,2 -0,4 -0,6

0 20 40 60 80 100

I, мс

Рис. 6. Осциллограмма выхода интегральной схемы на рабочий режим

га. ом

Рис. 8. Поверхность иш (Я1Д2) _интегральной схемы_

10 20 30 40 ЯП

Г. МКС

Рис. 5. Осциллограмма сдвига фазы выходного сигнала от входного

Рис. 7. Поверхность 1потр (Я1Д2) _интегральной схемы_

ю

Автоматизированная измерительная система применялась при исследовании полевых транзисторов 2П202Е-1 (с п-каналом). Приведем вольтамперные характеристики (ВАХ) 1ст(Шатв-ист) транзистора при исследовании на климатическое воздействие (рис.11)._

Рис. 11. ВАХ 1ст(изатв-ист) транзистора

Как видно из приведенных примеров автоматизированная измерительная система позволяет одновременно проводить цикл исследований различных характеристик радиоэлектронных узлов в текущем режиме.

Большинство исследователей во всем мире при проведении исследований пользуются известными измерительными системами фирмы «National Instruments». К сожалению, в настоящее время стоимость одного измерительного модуля National Instruments сопоставима со стоимостью измерительного прибора. Характеристики измерительных приборов по сравнению с модулями National Instruments, не хуже, а во многих случаях лучше.

По сравнению с измерительной системой National Instruments разработанная автоматизированная измерительная система, имея лучшие характеристики, чем модули National Instruments, является экономически более выгодной и общедоступной.

В третьей главе приведены примеры использования аппаратно-интегрированной макромодели при испытаниях на радиационную стойкость; рассмотрена программа «Macromodel», разработанная для построения макромодели электронных схем и прогнозирования отклика радиоэлектронных схем на воздействие ионизирующего излучения; проведены экспериментальные исследования радиоэлектронных устройств на созданной автоматизированной измерительной системе с применением импульсного рентгеновского аппарата «Аргумент-1000».

Приведем результаты ряда экспериментов по облучению исследуемого объекта с целью получения отклика на импульсное рентгеновское облучение. В качестве примера применения разработанного метода для прогнозирования

п

радиационной реакции объекта на импульсное радиационное воздействие был проанализирован эксперимент с диодом Д226Б.

Для получения набора данных произведен цикл экспериментов с различными уровнями радиационного воздействия. В результате получен набор тестовых пар сигналов «вход-выход». На рис. 12а приведены типичные графики, описывающие входное воздействие — форма импульса рентгеновского излучения и реакцию исследуемого объекта (диода Д226Б) на радиационное воздействие.

По полученным данным с помощью программы «¡У1асготос1е]» были рассчитаны частотные характеристики передаточных функций модели.

После проведенных расчетов было произведено прогнозирование реакции диода на уровень радиационного воздействия, превышающий выбранный диапазон уровней облучения при построении макромодели. Исследуемый объект далее был испытан на данный уровень на установке «Аргумент-1000». Результаты приведены на рис. 126. Как следует из рисунка - результаты прогнозирования практически совпадают с экспериментальной кривой._

и<в----------Тест----------- 20 и,в----------Прогноз.

Рис. 12. Графики кривых, описывающих входное воздействие и реакцию исследуемого объекта на это воздействие

Рассмотрены результаты применения данного подхода при построении макромодели для прогнозирования функциональной и параметрической реакции на внешнее дестабилизирующее воздействие для микросхемы операционного усилителя 744УД2-1. На рис. 13 приведены амплитудно-временные характеристики (АВХ), полученные на моделирующей установке (МУ) при различных уровнях Р; воздействия импульсной радиации. Произведем прогнозирование результата воздействия ионизирующего излучения на стандартную микросхему 744УД2-1. На рисунке 14 приведены осциллограммы тока потребления операционного усилителя во время воздействия импульса ионизирующего облучения. Пунктиром обозначена кривая, полученная в результате применения рассматриваемого метода прогнозирования. Все характеристики были получены с применением разработанной автоматизированной измерительной системы.

-20 0 20 40 "С -20 0 20 40 "С

Рис. 13. Амплитудно-временные Рис. 14. Характеристики тока характеристики моделирующей установки потребления 744УД2-1_

Исследования с помощью автоматизированной измерительной системы облученного и необлученного образцов микроузла "усилитель возбуждения" показали, что в результате воздействия облучения возрос уровень собственных шумов усилителя, определяющий минимальный входной сигнал (рис.15, 16). Более того, в результате воздействия ионизирующего облучения происходит

1 В/дел ■■—.....—.....-{— —...._ 53/дел л .........,;;:........V-■■ . :..[(.,..л

II 1 .1. ; гт;гт_т ! ■ 1 и

1 ч И . .1 !.': .м., ■■•■'Л. \ 1.4; и ;1.. йц .! ¡: ['^ч;Дк и

т^тж* да 1). >... | V ;'"[!' ■ ',1; Г, !: Л' : 1 .м :

4 .1-1,- ЦХ- ..и!.:.; ¡..;_и_;:.

0.5 мс/дел ; 0,5 мс/дел

■ ■■! ■ 1 ■■■ ! | 1 ]

Рис. 15. Уровень собственных Рис. 16. Уровень собственных

шумов усилителя до облучения шумов усилителя после облучения

5В/дел 1 0.5В/ДЗ г~ л 5В/дел| 1 [ 0,5В/дел

1 —

........... I • --|| ■ |

г N Л ч ! А ( л I /л

К / \ / / \ / \ / \ ! \ / \ 1 / \

\ / \ / \ \ / \ \ У 1\ I/ 1\ / \ \/ \ \

( ч 1 7 Ч ЧУ

1 1 ............I...........(.......... ............|...........

1 1 !мкс/де л _____ ! ___ Юмкс/дел

Рис. 17. Осциллограммы входного и выходного сигналов микроузла до облучения

Рис. 18. Осциллограммы входного и выходного сигналов микроузла после облучения

По результатам, полученным при помощи автоматизированной измерительной системы, можно сделать вывод, что выходные каскады микросхемы операционного усилителя частично потеряли свою нагрузочную способность, о чем свидетельствуют осциллограммы выходного сигнала, приведенные выше. Кроме того, изменение величины сигнала после испытаний сохранилось, то есть изменение внутренней структуры радиоэлементов микроузла носят необратимый характер.

Анализ электрической схемы ОУ 744УД2-1 и большой объем информации, полученный при помощи автоматизированной измерительной системы, показал, что причиной уменьшения величины изменения сигнала может быть либо выход из строя схемы защиты ОУ от перегрузок, то есть понижение порогового тока, либо уменьшение коэффициентов усиления транзисторов в цепи отрицательной части сигнала. Это является принципиальным, если отказ схемы защиты говорит о невозможности применения данных микросхем при таких уровнях облучения, то выход микросхемы из режима насыщения свидетельствует о снижении уровня нагрузоспособности оконечного каскада.

Искажение выходного сигнала отрицательной полярности, скорее всего, связано с использованием биполярных транзисторов различных типов в структуре инвертирующего и неинвертирующего каскадов микросхемы. Ионизирующее излучение изменило внутреннюю структуру полупроводника оконечного каскада ОУ, что заметно отразилось на отрицательной полуволне выходного сигнала. Оконечный каскад выполнен на п-р-п транзисторе (положительная полуволна) и на р-п-р транзисторе (отрицательная полуволна). Это указывает на то, что транзистор с р-п-р структурой менее стоек к воздействию ионизирующего излучения, чем транзистор с п-р-п структурой. Данная асимметричность подтверждена экспериментально (рис.17, 18).

На рис. 19 приведены результаты измерения на автоматизированной измерительной системе влияния сопротивления нагрузки каждого отдельного каскада на величину размаха отрицательной полуволны выходного сигнала.

Рис. 19. Зависимость величины размаха отрицательной полуволны выходного сигнала от сопротивления нагрузки

Анализ этих экспериментальных данных доказывает, что для сохранения симметрии в изменении сигнала при данном уровне облучения сопротивление нагрузки третьего каскада должна быть не менее (5,1 - 5,6) кОм.

Для более широкого понимания процессов перераспределения токов и напряжения в изделиях микроэлектроники рассмотрено применение инфракрасной радиометрии до и после испытаний на радиационную стойкость.

Сравнение результатов ИК-измерений с использованием промышленного ИК-радиометра необлученного и облученного образцов микросхем показывает, что в результате облучения тепловыделение каждой из 3-х микросхем ОУ

кС-. 1 £ : 1, 00 гС. ТА ое/оз/29 09 43 05 йО. 1 £ : 1,00 вС: Г4К* 2 £1. ТА 06/0у23 09 34.57

(120.0) (120.0)

1-1 гО. | " - ' V

Г ^ 1 -- 1 - ' . - * ,4 *' ■ М1 . ' 1 1

( |

/ /- ■у -Ч \ \ . 1 к / - ¿Г.-,

54.2°С 52,9°С 55.1°С Н0.0) 53,0 °С 57.9°С 58.9°С 1-1,1

Рис. 20. ИК-радиограмма облученного Рис. 21. ИК-радиограмма микроузла "усилитель" необлученного микроузла "усилитель"

Исследование температуры кристаллов данных образцов ОУ по ИК-радиограммам при различной нагрузке выходного каскада представлено в виде графика на рис. 22.

Темп, гра; ЭЭ

50

45

40

35

30

V необлученньш

---

облу ЧСН11 /

,111

0

Л, кО.м 12 10

О 2 4 6 8 10 12

Рис. 22. Зависимость температуры на Рис. 23. Зависимость тока потребления поверхности кристалла микросхемы микросхемы 744УД2-1 от нагрузки 744УД2-1 от нагрузки выходного выходного каскада каскада

Сравнение с графиком тока потребления тех же ОУ подтвердило, что ток потребления облученного образца уменьшился (рис.23). Уменьшение тока потребления связано с необратимым изменением структуры полупроводника в

15

транзисторе выходного каскада после воздействия ионизирующего излучения. Увеличение внутреннего сопротивления р-п перехода привело к уменьшению тока потребления.

В дальнейшем, для лучшего понимания процессов перераспределения токов и напряжения в изделиях микроэлектроники необходимо проводить ИК-радиометрию до и после испытаний радиационной стойкости. Кроме того, ИК-радиометрия является объективным методом контроля качества сборки изделий, качества разварки бескорпусных компонентов радиоэлектронной аппаратуры.

Приведем две основные характеристики для облученного и необлученного образца ОУ 744УД2-1:

1) зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты (рис.24);

2) зависимость максимальной скорости нарастания выходного напряжения от напряжений питания (рис.25).

Кус, дБ

неоолученныи

БИ, В/,м

Рис. 24. Зависимость коэффициента Рис. 25. Зависимость максимальной усиления напряжения от частоты скорости нарастания выходного

напряжения от напряжений питания Из первой зависимости (рис. 24) следует, что частота единичного усиления облученного ОУ меньше на 30%, чем у необлученного; кривая коэффициента усиления облученного ОУ расположена ниже, чем у необлученного, что подтверждает сказанное выше.

Из второй зависимости (рис. 25) следует, что скорость нарастания выходного напряжения у облученного ОУ меньше на 20-30%, чем у необлученного ОУ.

В заключения приводятся основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В рамках задачи по исследованию возможности создания макромоделей аналоговых микроэлектронных схем и разработке методов

автоматизированного_макромоделирования_для_прогнозирования

функциональной и параметрической реакции аналоговых микроэлектронных схем на радиационное воздействие:

- Предложена и обоснована новая методика прогнозирования реакции облучаемых образцов радиоэлектронной аппаратуры на действие ионизирующего излучения и переходных процессов от электромагнитного излучения ядерного взрыва для случаев, когда параметры полей облучений прогнозируемой ситуации не воспроизводятся в лабораторных условиях. Методика основана на облучении исследуемых объектов тестовыми лабораторными импульсами, с формой, отличной от прогнозируемой.

- Предложена макромодель и разработано программное обеспечение «Масгото<1е1» для получения характеристик аналоговой интегральной микросхемы, обеспечивающие автоматизированный процесс получения и обработки входной информации.

- На базе разработанного алгоритма предложен вариант программы Масготос1е1, позволяющий производить прогнозирование амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) для нелинейной схемы радиоэлектронной аппаратуры, в которой под действием ионизирующего излучения или электромагнитного излучения ядерного взрыва генерируются переходные процессы в контрольных точках. Применение аппарата линейного преобразования Фурье для описания нелинейных схем позволяет восстановить передаточную характеристику вида У = £какхк не только по экспериментальному набору тестовых лабораторных импульсов ионизирующего излучения или электромагнитного излучения, генерируемых на моделирующих установках, но и прогнозировать на уровень воздействия, не достижимый на моделирующей установке.

2. В рамках задачи по разработке автоматизированной измерительной системы:

- Обоснованы принцип построения и конфигурация автоматизированной измерительной системы, позволяющие проводить исследования изделий радиоэлектронной аппаратуры различных по своему функциональному назначению. Благодаря использованию универсальной архитектуры автоматизированной измерительной системы можно наращивать банк измерительных приборов без внесения изменений в конфигурацию.

- Разработаны алгоритмы управления измерительным оборудованием, которые позволили существенно упростить процедуру управления измерительным оборудованием.

- Реализованная автоматизированная измерительная система позволяет исследовать динамические характеристики радиоэлектронной аппаратуры за

короткое время при испытаниях на радиационную стойкость, что немаловажно при высокой стоимости проводимых испытаний.

- Благодаря автоматизированной измерительной системе, существенно возросла информативность результатов испытаний, повысились качество и объем данных, получаемых об исследуемом объекте.

- По сравнению с измерительной системой National Instruments разработанная автоматизированная измерительная система, имея характеристики лучшие, чем модули National Instruments, является экономически более выгодной и общедоступной.

3. В рамках задачи по экспериментальному исследованию радиационного воздействия на аналоговые микросхемы с использованием автоматизированной измерительной системы:

- Результаты выполненной работы позволяют рекомендовать применение автоматизированной измерительной системы как базовый инструмент при исследованиях изделий радиоэлектронной аппаратуры на радиационное воздействие.

- Построенная макромодель для прогнозирования отклика электрической цепи на внешнее дестабилизирующее воздействие, использованная при работе с рентгеновским аппаратом «Аргумент-1000», позволила прогнозировать реакцию цепей на внешнее воздействие.

- Проведенные экспериментальные исследования на реализованной автоматизированной измерительной системе показали возможности прогнозирования степени увеличения собственных шумов операционного усилителя, уменьшения нагрузочной способности ОУ, уменьшения коэффициента усиления, уменьшения быстродействия облученного усилителя.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сайчев В.П., Ефимов B.C., Осокин A.B., Лукичев А.Н. Разработка системы автоматизированного контроля радиационно-стойких изделий гибридной микроэлектроники. // Конверсия в машиностроении, 2004, №4, с.42-46.

2. Сайчев В.П., Ефимов B.C., Осокин A.B., Лукичев А.Н. Некоторые вопросы проектирования автоматизированной системы контроля изделий микроэлектроники. // Конверсия в машиностроении, 2004, №4, с.46-49.

3. Сайчев В.П., Ефимов B.C., Лукичев А.Н., Стройкова A.B. Применение автоматизированного измерительного комплекса при разработке радиационно-стойких изделий гибридной микроэлектроники. // Конверсия в машиностроении, 2005, №6, с.63-66.

4. Лукичев А.Н. Исследование особенностей работы операционных усилителей 744УД2-1 в составе микроузла для датчиков физических величин. // В. кн.: Тр. 10-й научн. конф. по радиофизике, ННГУ, 2006.

5. Орлов И.Я., Ефимов B.C., Лукичев А.Н. Автоматизированная измерительная система для исследования характеристик интегральных микросхем. // Датчики и системы, 2008, №3, с.38-41.

6. Лукичев А.Н. Измерительный комплекс для контроля электронных компонентов. // Информационные системы и технологии, 2008, с.45-46

7. Киселев В.К., Ефимов B.C., Лукичев А.Н. Автоматизированная измерительная система для исследований радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2009, №5, с. 108-112.

8. Лукичев А.Н. Применение автоматизированной измерительной системы при исследовании операционных усилителей // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Радиофизика, 2009, №6, с. 86-89.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА I. МЕТОДЫ МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАДИОЭЛЕКТРОННУЮ АППАРАТУРУ 36

1.1 Методы макромоделирования реакции схем радиоэлектронной аппаратуры на воздействие переходных процессов от действия электромагнитного излучения ядерного взрыва и ионизирующих излучений 36

1.2 Оценка импульсной передаточной функции при воздействии ионизирующего излучения 43

1.3 Аппаратно-интегрированная модель передаточной функции типа «вход-выход» 49

1.4 Выводы 56 ГЛАВА II. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ 57

2.1 Анализ и обоснование конфигурации автоматизированной измерительной системы 57

2.2 Алгоритмы управления измерительным оборудованием 64

2.2.1 Ачгоритмы управления регистрирующими измерительными приборами 65

2.2.2 Алгоритмы управления стимулирующими измерительными приборами 67

2.3 Разработка программы управления измерительным оборудованием 71

2.3.1 Программа управления измерительными приборами по каналу об1цего пользования 74

2.3.2 Программа управления источниками питания серии Б5-46... Б5-50 77

2.3.3 Программ'а управления буферным коммутирующим устройством 80

2.4 Сравнительная характеристика разработанной измерительной системы с измерительной системой «National Instruments» 82

2.5 Выводы 85

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ IIA АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 86

3.1 Примеры применения аппаратно-интегрированнон макромодели в радиационных экспериментах для прогнозирования радиационной реакции с использованием программы

«МасготосМ» 86

3.1.1 Построение макромодели для прогнозирования отклика электрической цепи на изменение входных сигналов 88

3.1.2 Построение макромодели для прогнозирования отклика электрической цепи на внешнее дестабилизирующее воздействие 91

3.2 Применение автоматизированной измерительной системы для исследования радиационной стойкости изделий микроэлектроники 99

3.3 Выводы 111 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112 ЛИТЕРАТУРА 115

Подписано в печать 25.08.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 534.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603000, Н.Новгород, ул. Б. Покровская, 37