運算放大器電離總劑量效應研究

黃東巍等

摘 要： 對某型號國產雙極型雙路高壓運算放大器在不同偏置條件和不同劑量率條件下的電離總劑量效應進行了研究。通過對運算放大器輻照前后的電參數進行測試，計算得到增強因子，分析特殊偏置條件和低劑量率條件對運算放大器電離總劑量效應的影響。試驗結果表明，偏置條件不同，運算放大器的電離總劑量效應表現出明顯差異性，各管腳短接相對于正常加電工作條件是較惡劣的一種偏置條件。在0.01 rad（si）/s低劑量率條件下，運算放大器表現出潛在的低劑量率增強效應。

關鍵詞： 運算放大器； 管腳短接； 劑量率； 電離總劑量效應

中圖分類號： TN722?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0134?03

Abstract： Total ionizing dose effects on certain type of domestic bipolar dual?way high?voltage operational amplifier under the conditions of different bias and different dose rate is studied. The enhancement factor is obtained by testing the electrical parameters before and after irradiation of operational amplifier. The impact of special bias and low dose rate on total ionizing dose effect of operational amplifier is analysed. The test results show that， under different bias conditions， the total ionizing dose effect of operational amplifier reveals significant difference， Each?pin?short?joint is a more severe bias condition compared with the normal power working conditions. Under the low dose rate condition of 0.01 rad （si）/s， operational amplifiers exhibit a potential enhancement effect of low dose rate.

Keywords： operational amplifier； each?pin?short?joint； dose rate； total ionizing dose effect

0 引 言

運算放大器具有良好的線性和高電流驅動能力，廣泛應用于空間系統中。然而，由于空間電離輻射環境的存在，導致運算放大器的性能發生退化，從而嚴重降低電子系統的可靠性。近年來，雖然國內對運算放大器的輻射效應已進行了一些研究[1?3]，但大都針對于國外產品，且未涉及各管腳短接等特殊偏置條件。

本文選用某型號國產運算放大器，在不同偏置條件和不同劑量率條件下進行電離總劑量效應研究。

1 實 驗

對某型號國產雙極型雙路高壓運算放大器進行了電離總劑量試驗，其內部包含兩路通用高速高增益運放，功能是對模擬電壓信號進行線性放大。試驗樣品為同型號同批次產品。輻照總劑量為100 krad（si），劑量率選用50 rad（si）/s，0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s，其中在新疆理化所鈷60伽馬射線源上進行50 rad（si）/s和0.1 rad（si）/s劑量率條件下的試驗，在上海計量院鈷60伽馬射線源上進行0.01 rad（si）/s劑量率條件下的試驗。輻照后電參數測試采用移位測試方法，移位參數測量時間不超過1 h。輻照前后的主要測試電參數有輸入失調電壓（Vio）、輸入偏置電流（Iib）、輸入失調電流（Ios）和開環增益（AV） 等。在運算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態下，各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量， 并對主要電參數進行測試。

在運算放大器正常加電工作狀態下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s，0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到總劑量100 krad（si）， 并對主要電參數進行測試。

2 試驗結果分析

2.1 不同偏置條件

在運算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態下，各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量，并對主要電參數進行測試。圖1中，（a）為運算放大器各管腳短接（不加電）示意圖，（b）為正常加電工作狀態示意圖。

令電參數變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數值-輻照前參數值）÷輻照前參數值。先計算每只樣品輻照前后的各電參數變化百分比，再對4只樣品的各電參數變化百分比求平均值，數據如表1和表2所示。

從表1和表2中看到，在各管腳短接和正常加電條件下，經過輻照后的各試驗樣品，其輸入偏置電流（Iib）均呈現增長趨勢，開環增益（AV）均呈現降低趨勢。其余主要電參數也呈現出不同程度變化。

令增強因子[4?5]為E，E=⊿短接/⊿正常加電，結果如圖2所示。從圖2中看出，在50 rad（si）/s劑量率條件下，輻照到100 krad（si）總劑量時，運算放大器的絕大部分電參數的E值大于1，即在各管腳短接條件下的變化量大于正常加電條件下的變化量，最大差異可達8倍。相對于正常加電條件，運算放大器各管腳短接偏置條件是相對惡劣的一種偏置條件。

2.2 不同劑量率條件

在運算放大器正常加電工作狀態下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到100 krad（si）總劑量， 并對主要電參數進行測試。

同樣，令參數變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數值-輻照前參數值）÷輻照前參數值。先計算每只樣品輻照前后的各電參數變化百分比，再對4只樣品的各電參數變化百分比求平均值。數據如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，經過輻照后的各試驗樣品，其輸入偏置電流均呈現增長趨勢，開環增益均呈現降低趨勢。其余主要電參數也呈現出不同程度變化。

令E（增強因子）=⊿低劑量率/⊿劑量率，計算結果如圖3和圖4所示。

3 結 論

在不同偏置條件和不同劑量率條件下，對某型號國產運算放大器進行了電離總劑量效應研究。將運算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態下的試驗結果進行了對比。試驗結果表明，相對于正常加電條件，各管腳短接是相對惡劣的一種偏置條件。將運算放大器在不同劑量率條件下的試驗結果進行了比對。試驗結果表明，在0.01 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量時，運算放大器具有潛在的低劑量率增強效應。

參考文獻

[1] PEASE R L. Total ionizing dose effects in bipolar devices and circuits [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 2003， 50（3）： 539?551.

[2] TITUS J L， EMILY D， KRIEG J F， et al. Enhanced low dose rate sensitivity （ELDRS） of linear circuits in a space environment [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 1999， 46（6）： 1608?1615.

[3] 鄭玉展，陸嫵，任迪遠，等.雙極運算放大器輻射損傷效應研究[J].核技術，2008，31（4）：270?274.

[4] JOHNSTON A H， SWIFT G M， RAX B G. Total dose effects in conventional bipolar transistors and linear integrated circuits [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 1994， 41（6）： 2427?2436.

[5] HJALMARSON H P， PEASE R L， WITCZAK S C， et al. Mechanisms for radiation dose?rate sensitivity of bipolar transistors [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 2003， 50（6）： 1901?1909.

[6] 陸嫵，余學峰，任迪遠，等.雙極晶體管不同劑量率的輻射效應和退火特性[J].核技術，2005，28（10）：755?758.

2.2 不同劑量率條件

在運算放大器正常加電工作狀態下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到100 krad（si）總劑量， 并對主要電參數進行測試。

同樣，令參數變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數值-輻照前參數值）÷輻照前參數值。先計算每只樣品輻照前后的各電參數變化百分比，再對4只樣品的各電參數變化百分比求平均值。數據如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，經過輻照后的各試驗樣品，其輸入偏置電流均呈現增長趨勢，開環增益均呈現降低趨勢。其余主要電參數也呈現出不同程度變化。

令E（增強因子）=⊿低劑量率/⊿劑量率，計算結果如圖3和圖4所示。

3 結 論

在不同偏置條件和不同劑量率條件下，對某型號國產運算放大器進行了電離總劑量效應研究。將運算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態下的試驗結果進行了對比。試驗結果表明，相對于正常加電條件，各管腳短接是相對惡劣的一種偏置條件。將運算放大器在不同劑量率條件下的試驗結果進行了比對。試驗結果表明，在0.01 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量時，運算放大器具有潛在的低劑量率增強效應。

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[6] 陸嫵，余學峰，任迪遠，等.雙極晶體管不同劑量率的輻射效應和退火特性[J].核技術，2005，28（10）：755?758.

2.2 不同劑量率條件

在運算放大器正常加電工作狀態下， 各選擇4只樣品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，分別輻照到100 krad（si）總劑量， 并對主要電參數進行測試。

同樣，令參數變化百分比為⊿，⊿=（輻照后參數值-輻照前參數值）÷輻照前參數值。先計算每只樣品輻照前后的各電參數變化百分比，再對4只樣品的各電參數變化百分比求平均值。數據如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s劑量率條件下，經過輻照后的各試驗樣品，其輸入偏置電流均呈現增長趨勢，開環增益均呈現降低趨勢。其余主要電參數也呈現出不同程度變化。

令E（增強因子）=⊿低劑量率/⊿劑量率，計算結果如圖3和圖4所示。

3 結 論

在不同偏置條件和不同劑量率條件下，對某型號國產運算放大器進行了電離總劑量效應研究。將運算放大器各管腳短接（不加電）和正常加電工作狀態下的試驗結果進行了對比。試驗結果表明，相對于正常加電條件，各管腳短接是相對惡劣的一種偏置條件。將運算放大器在不同劑量率條件下的試驗結果進行了比對。試驗結果表明，在0.01 rad（si）/s劑量率條件下輻照到100 krad（si）總劑量時，運算放大器具有潛在的低劑量率增強效應。

參考文獻

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