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

    2019-01-08 04:58:42
    現(xiàn)代應(yīng)用物理 2018年4期
    關(guān)鍵詞:基極晶體管中子

    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。

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