Влияние электрического режима на деградацию параметров
advertisement
Влияние электрического режима на деградацию параметров… А.С. БАКЕРЕНКОВ1, Д.В. САВЧЕНКОВ1, А.А. ЛЕБЕДЕВ1, В.И РУСАНОВСКИЙ2 1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» 2 Государственное агентство по интеллектуальной собственности Республики Молдова ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ДЕГРАДАЦИЮ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM124 Проведено исследование влияния электрического режима на деградацию напряжения смещения нуля и входных токов операционного усилителя LM124. ОУ был облучен на источнике гамма излучения ГУ-200 (НИИП г. Лыткарино) в четырех электрических режимах: повторитель, инвертирующий и неинвертирующий усилитель и закороченные выводы. Были получены четыре дозы: 10, 20, 40 крад(Si). В эксперименте были использованы ОУ двух производителей: National Semiconductor и Texas Instruments. Установлено, что при данных дозах электрический режим не влияет на деградацию параметров, а ОУ производства NS деградируют сильнее, чем ОУ производства TI. Измерение напряжения смещения нуля и входных токов операционного усилителя осуществлялось согласно ГОСТ 23089.3-83 и 23089.4-83 с помощью разработанной авторами измерительной платы. Введение. Интегральные микросхемы операционных усилителей широко используются в различных электронных системах для обработки и преобразования аналоговых сигналов. Операционные усилители являются схемотехнически сложными полупроводниковыми приборами и характеризуются множеством электрических параметров. Так же как и все полупроводниковые приборы, операционные усилители подвержены деградации под воздействием ионизирующего излучения. Установлено, что под воздействием радиации входные токи операционных усилителей с биполярными транзисторами на входе возрастают. При определенных условиях облучения изменяется и напряжение смещения нуля. Таким образом, возникает необходимость исследования воздействия ионизирующего излучения на параметры операционных усилителей. Операционные усилители подвержены действию различных радиационных эффектов. Для микросхем, изготовленных по биполярной технологии, характерен эффект низкой интенсивности [1]. Этот эффект очень важен с точки зрения прогнозирования долговременной работоспособности операционных усилителей в условиях космического пространства. Он требует отдельного изучения и в этой работе не рассматривается. Поскольку операционные усилители являются схемотехнически сложными приборами, возникает необходимость исследования влияния электрических режимов их работы на их деградацию под воздействием ионизирующего излучения. Таким образом, необходимо выяснить, в каких электрических режимах могут работать операционные усилители в составе систем подвергающихся воздействию радиации. Режимы работы усилителей. На рис. 1 приРис. 1. Упрощенная схема операциведена упрощенная схема операционного усилителя с онного биполярными транзисторами на входе. Входы, предусилителя назначенные для подключения источника питания, обозначены как E+ и E-. Инвертирующий и не инвертирующий входы – INPUT- и INPUT+ соответственно. Входные токи операционного усилителя являются токами баз биполярных транзисторов Q1 и Q2. Таким образом, деградация входных токов операционных усилителей определяется приращениями базовых токов соответствующих транзисторов. Как известно, величина приращения тока базы биполярного транзистора под воздействием радиации определяется напряжением смещения эмиттерного перехода во время облучения. Следовательно, электрические режимы, разные с точки зрения воздействия ионизирующего излучения на операционный усилитель, должны отличаться режимом работы входных транзисторов. Операционные усилители часто используются в качестве преобразователей уровня напряжения и согласователей сопротивления. При этом типовыми схемами их включения являются: схема неинвертирующего усилителя, схема инвертирующего усилителя и схема повторителя. Рас- Влияние электрического режима на деградацию параметров… смотрим режимы работы входных транзисторов операционных усилителей в этих режимах. Как правило, при таких способах включения выходное напряжения операционного усилителя лежит в диапазоне от нижнего до верхнего предельного значения. Эти пределы зависят от напряжения питания операционного усилителя и определены соответствующей спецификацией. Из рис. 1 видно, что это возможно только в случае, если оба транзистора находятся в активных режимах, а значит, их эмиттерные переходы имеют прямое смещение. Отсюда следует вывод, что все перечисленные схемы включения операционных усилителей с точки зрения воздействия радиации эквивалентны. Однако операционный усилитель может использоваться и в режиме действия большого дифференциального сигнала. Это означает, что операционный усилитель, включенный таким образом, может достаточно длительное время находиться в принципиально ином режиме работы. Его необходимо исследовать отдельно. Экспериментальные исследования. Для исследования влияния типовых электрических режимов работы операционных усилителей на их деградацию под действие ионизирующего излучения была выбрана микросхема LM124. LM124 – микросхема, в состав которой входят четыре одинаковых операционных усилителя. Три из четырех операционных усилителей микросхемы были включены в трех описанных ранее режимах, соответствующих активному состоянию всех транзисторов входных цепей. Четвертый операционный усилитель облучался при закороченных выводах. Облучение производилось на установке ГУ-200 в ФГУП НИИП г. Лыткарино. Источником излучения служил изотоп Co60. Интенсивность излучения составляла 12 рад/с. Облучение производилось в три этапа. На первом этапе полная поглощенная доза составила 10 крад, на втором – 20, на третьем 40. Результаты экспериментов представлены на рис. 2. Как и ожидалось, режимы инвертирующего усилителя, неинвертирующего усилителя и повторителя оказались эквивалентными с точки зрения воздействия радиации. Режим нулевого смещения отличается от трех описанных выше. Действительно, при прямом смещении эмиттерного перехода его область объемного заряда сужается, что ведет к уменьшению объема, занимаемого краевым электрическим полем в окисле. Это приводит к уменьшению темпа накопления радиационно-индуцированных дефектов и, как следствие, снижению деградации входного тока операционного усилителя. В процессе описанного эксперимента исследовалось поведение не только входного тока под Рис. 2. Зависимость входного тока смещевоздействием радиации. Вместе с входными ния токами измерялись и напряжения смещения операционного усилителя LM124 от поглонуля операционных усилителей. Результаты щенной дозы в различных режимах облучепроведенных измерений показали, что ния объясняется следуюнапряжение смещения нуля не изменилось после облучения. Этот результат щим образом. Напряжения смещения нуля операционных усилителей определяется, главным образом, разбросом параметром пары входных транзисторов. Поскольку входные транзисторы находилсь в одинаковых условия при облучении, их деградация должна быть одинаковой. Следовательно, напряжение смещения нуля не должно было измениться, что и наблюдалось в процессе измерений. В данной работе не исследовался режим работы операционного усилителя в качестве компаратора. Этот режим должен принципиально отличаться от всех режимов, описанных выше, поскольку ему соответствуют разные режимы работы входных транзисторов операционного усилителя. При облучении это приводит к разному темпу накопления радиационных дефектах в этих Влияние электрического режима на деградацию параметров… транзисторах и, как следствие, к разной их деградации, что не может не оказать большого влияния на напряжение смещения нуля. Следовательно, требуются дополнительные исследования этого режима работы. Заключение. Установлено, что электрический режим включения операционных усилителей во время облучения влияет на их радиационную деградацию. Режимы инвертирующего усилителя, неинвертирующего усилителя и повторителя оказались эквивалентными, т.е радиационная деградация входных токов операционных усилителей, облучавшихся в этих режимах, оказалась одинаковой. Тогда как при облучении в пассивном режиме входные токи возросли заметно сильнее. Это объясняется различием смещения эмиттерных переходов входных транзисторов операционного усилителя в активных пассивном режиме работы. Полученные результаты позволяют сделать предположение, что входные токи операционного усилителя при облучении в режиме большого дифференциального сигнала будут возрастать несимметрично по двум разным входам, сильно изменится и напряжение смещения нуля.
