基于電壓補償?shù)木w管直流增益在線測試系統(tǒng)

魯 藝

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所,綿陽 621900)

在輻射模擬源低中子注量試驗方法研究中，為了獲得不同中子注量及注量率下電子學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)測技術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出現(xiàn)明顯的低γ注量率輻射損傷增強效應(ELDRS)，且注量率越低，損傷越嚴重[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效應，目前還未見相關報道，其內(nèi)在損傷機理也尚不明確。為了準確評估低中子注量輻射環(huán)境對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在線測試系統(tǒng)[7]。

本文以晶體管直流增益作為中子輻射損傷效應的宏觀表征參數(shù)，采用電壓補償方法解決了遠程監(jiān)測中因晶體管工作電壓損耗引起的測量誤差，并通過模塊化軟件架構以及電壓回讀技術，建立了晶體管直流增益在線測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同中子注量輻照下晶體管直流增益的實時監(jiān)測，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評估提供了重要的測試依據(jù)。

1 中子輻照下晶體管直流增益在線監(jiān)測原理

晶體管直流增益的測試電路，如圖1所示。圖中，利用外部電源和信號源給晶體管施加合適的集電極工作電壓VCC、基極電壓VBB，將電壓轉換為相應的集電極電流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晶體管直流增益測試電路Fig.1Testing circuit of transistor DC gain

中子輻照晶體管時，在小電流注入條件下，中子輻射對晶體管的直流增益影響顯著，此時直流增益隨中子輻照注量的變化關系為

=K′·t·Φ=K·Φ

(2)

可以看出，只要實時獲得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系。

2 直流增益在線測試系統(tǒng)研制

2.1 測試系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)中子注量率測量實驗的特點和要求，直流增益在線測試系統(tǒng)采用典型的虛擬儀器平臺測試系統(tǒng)架構，如圖2所示。以計算中心為核心，下位機采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)計算中心處理，將數(shù)據(jù)存儲在文件中并在用戶界面上實時顯示。

圖2測試系統(tǒng)的架構圖Fig.2Structure of testing system

根據(jù)系統(tǒng)架構，直流增益在線測試系統(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)、測試轉接盒、電壓補償器、任意波形發(fā)生器、高精度可編程電源、40芯屏蔽雙絞電纜、計算機顯示終端和數(shù)據(jù)采集分析軟件(用于遠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)為硬件設備提供控制信號，完成對晶體管工作點電壓的實時采集，由數(shù)據(jù)采集分析軟件完成對采集的數(shù)據(jù)進行計算、處理、存儲、顯示等功能。

圖3測試系統(tǒng)的硬件組成Fig.3Composition of testing system

電壓補償器與測試轉接盒相配合，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，以補償由長線傳輸引起的電壓損耗。

計算機顯示終端負責晶體管器件的狀態(tài)監(jiān)控和相關人機接口控制，完成參數(shù)配置、在線顯示、數(shù)據(jù)保存等任務，具有良好的人機交互功能。

2.2 測試系統(tǒng)工作原理

從圖3可知，電壓補償器作為系統(tǒng)中用于接收和反饋信號的核心部件，位于輻射大廳，一端通過長約10 m的信號電纜與輻照晶體管連接，另一端則通過長約100 m屏蔽雙絞電纜與測量間的測試系統(tǒng)相連，將VCC，VBB，VRB和VRC反饋至測試轉接盒。為避免電阻直接受中子輻照引起性能下降，產(chǎn)生測量誤差，將輻照板上的電阻RB，RC與晶體管分開，放置于電壓補償器中。

轉接盒作為電壓補償器與信號采集系統(tǒng)之間的接口板，放置于測試間，具有信號輸入/輸出轉接接口的功能，通過長電纜將電源電壓回讀信號VCC以及VBB送至采集系統(tǒng)輸入端口，同時將電源輸出反饋至電源監(jiān)測端口。

晶體管工作時，穩(wěn)定的工作電壓是提高測試精度的一個重要環(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，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的測試條件，應由信號源為晶體管的基極提供一個鋸齒波輸入脈沖，且信號幅度和頻率必須滿足測試要求。另外，電源與上位機之間采用通訊方式將回讀電壓與輸出電壓進行比較，并控制電源對電壓進行自動調(diào)節(jié)。

為了使計算機能有效地控制這些硬件設備，采用PXI系列高速采集驅動控制器為其他硬件提供控制信號，利用采集卡上的硬件資源進行參數(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調(diào)節(jié)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制命令交互，最后利用系統(tǒng)后期處理模塊進行采集數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示等。

2.3 測試系統(tǒng)軟件設計

測試系統(tǒng)軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲和顯示模塊。系統(tǒng)測試軟件流程圖，如圖4所示。

圖4系統(tǒng)測試軟件流程圖Fig.4Flow chart of system software

采用LabVIEW中的隊列(Queue)技術，將數(shù)據(jù)采集模塊作為一個獨立任務；數(shù)據(jù)處理模塊、存儲和顯示模塊也分別放在各自的任務當中，使它們能夠并行運行。各模塊之間以多任務形式進行連接，實現(xiàn)測試系統(tǒng)實時采集和實時響應用戶操作的功能。

圖5為測試系統(tǒng)中采用的隊列架構。3個并行任務系統(tǒng)主要由3個循環(huán)框架和隊列技術構成。第一個循環(huán)主要完成數(shù)據(jù)采集任務，并將采集到的數(shù)據(jù)送入隊列；第二個循環(huán)完成數(shù)據(jù)處理任務，從隊列中取出數(shù)據(jù)然后進行算法處理，再將處理過的數(shù)據(jù)送入隊列；最后一個循環(huán)主要完成數(shù)據(jù)的存儲和顯示，從隊列中取出處理數(shù)據(jù)存入文本中，同時在圖表中繪制數(shù)據(jù)。另外，將人機交互也放入第三個循環(huán)當中，以減少任務之間的切換和響應時間。

圖5隊列架構圖Fig.5Architecture of queue

3 直流增益在線測試系統(tǒng)的應用

3.1 直流增益在線測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性驗證

直流增益在線測試系統(tǒng)建立后，首先對其進行了穩(wěn)定性的驗證考核，測試系統(tǒng)照片如圖6所示。

圖6測試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.6Photo of the testing system

采用實驗室靜態(tài)試驗(無輻照)的方法進行測試，將經(jīng)過嚴格篩選的NPN型晶體管BCX41和PNP型晶體管3CK3B各5只作為測試對象，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，啟動測量，每間隔10 s測量一次晶體管的直流增益hFEi。穩(wěn)定性，即系統(tǒng)的測試精度w可依據(jù)式(3)計算，當w≤1%時，系統(tǒng)的測試精度就滿足實驗的應用要求。

(3)

直流增益隨測試時間的變化，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試時間的變化關系一致，將測試數(shù)據(jù)代入式(3)，得到w為0.2%，這一結果證明，研制的測試系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性，滿足實驗的應用要求。

(a)BCX41

(b)3CK3B

3.2 直流增益在線測試系統(tǒng)的應用

利用研制的晶體管直流增益在線測試系統(tǒng)，以BCX41和3CK3B兩種晶體管器件作為試驗樣品，在CFBR-II堆上開展了不同中子輻照注量效應試驗，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，結果如圖8—圖10所示。

(a)BCX41 (b)3CK3B

圖8輻照功率為2W時，晶體管直流增益測試結果
Fig.8DCgainoftransistorunder2Wirradiation

(a)BCX41 (b)3CK3B

圖9輻照功率為20W時，晶體管直流增益測試結果
Fig.9DCgainoftransistorunder20Wirradiation

(a)BCX41 (b)3CK3B

圖10輻照功率為200W時，晶體管直流增益測試結果
Fig.10DCgainoftransistorunder200Wirradiation

結果表明，研制的直流增益在線測試系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性，且可以實時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試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，通過多任務并行處理的模塊化程序設計，實現(xiàn)了快速響應、高效率同步采集、實時數(shù)據(jù)處理、存儲及顯示；采用回讀技術建立了電壓補償方法，解決了遠程監(jiān)測中因電壓損耗帶來的測量誤差，系統(tǒng)的測試精度高達0.2%。

該系統(tǒng)通過了穩(wěn)定性測試驗證，實現(xiàn)了在CFBR-II堆上的中子注量率效應試驗考核，獲得了器件的輻射損傷數(shù)據(jù)。結果表明，研制的直流增益在線測量系統(tǒng)可滿足不同中子注量率范圍的測量要求，具有較高的測量精度和可靠性，為晶體管器件的中子注量率增強效應研究提供了重要的測試手段。