CC BY
50
УДК 621.382.019.3 ББК 32.852
ВС. ПРЯНИКОВ
ОРГАНИЗАЦИЯ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ ТРАНЗИСТОРОВ ПО УРОВНЮ НИЗКОЧАСТОТНОГО ШУМА
Ключевые слова: надежность, низкочастотные шумы, транзистор, входной контроль, автоматизированная система, малошумящий усилитель.
Предложена автоматизированная система отбраковки потенциально ненадежных транзисторов по уровню низкочастотного шума. Реализация на входном контроле этой системы значительно повышает эксплуатационную надежность радиоэлектронных систем. Особое внимание уделено разработке избирательного малошумящего усилителя.
Вопросы обеспечения надежности элементов и устройств вычислительной техники (ВТ) и систем управления имеют особое значение. Широкое внедрение ВТ в народное хозяйство и повышение ответственности выполняемых функций приводит к необходимости создавать все более сложные и в то же время все более надежные системы. Вопросы обеспечения надежности любых изделий и особенно бортовых информационно-управляющих систем космического назначения весьма актуальны.
Для информационно-управляющей системы спутников связи и других космических аппаратов, которая должна функционировать круглосуточно без обслуживающего персонала, «цена» отказа любого элемента неимоверно велика. Естественно, при разработке и производстве таких систем возникает задача отбора высоконадежных элементов. Поэтому разработчику бортовых информационно-управляющих систем космического назначения в целях обеспечения гарантированной надежности приходится использовать новые концепции и методы прогнозирования показателей надежности выбранных элементов [2].
Одним из важнейших направлений работ в этой области является создание методов и средств прогнозирования отказов элементов ВТ и систем управления. Прогнозирование отказов элементов основано на результатах анализа физики отказов и исследованиях кинетических процессов, приводящих полупроводниковые приборы и интегральные схемы (ИС) к отказу. Изучение физических процессов, предшествующих отказам и сопровождающих отказы элементов, в конечном счете должно давать наибольший эффект в повышении их эксплуатационной надежности. Если известен параметр элемента, чувствительный к возможным отказам при его работе или испытании, то представляется возможность оценить его потенциальную надежность.
В работе [3] рассмотрены взаимосвязь низкочастотных (НЧ) шумов и отказов полупроводниковых приборов. НЧ шумы обусловлены дефектами структуры полупроводника, которые ведут к развитию процессов, приводящих к отказам. В этой же работе разработана методика отбраковки потенциально ненадежных транзисторов по уровню НЧ шума, позволяющая повысить эксплуатационную надежность радиоэлектронной аппаратуры.
Результаты исследований в работе [2] показывают, что НЧ шум транзистора несет информацию о его потенциальной надежности. Следовательно,
по одноразовому измерению одного из параметров НЧ шума возможна индивидуальная отбраковка транзисторов, имеющих скрытые дефекты структуры.
Основные параметры транзистора - обратный ток коллекторного перехода и коэффициент усиления - находятся обычно в пределах, заданных техническими условиями. Поэтому обнаружить потенциально ненадежные транзисторы измерением только основных параметров не удается. Потенциально ненадежные транзисторы, имеющие скрытые дефекты, приходится отбраковывать, применяя различные методы неразрушающего контроля и испытаний, в том числе методы по измерению уровня шума.
При организации входного контроля с целью отбраковки потенциально ненадежных транзисторов обычно достаточно измерить значение уровня шума на одной частоте в диапазоне от 20 Гц до 1 кГц. Сущность методики отбраковки транзисторов по уровню шумов состоит в следующем [1]:
- из данной партии транзисторов отбирается случайным образом п экземпляров. Измеряется значение спектральной плотности мощности НЧ шума О/ на выбранной частоте;
- производится статистическая обработка результатов измерения: определяются закон распределения, среднее значение шума и его дисперсия Б.
При нормальном законе распределения уровень отбраковки можно определить в соответствии со следующим выражением:
Оотбр = <7Ср+3о,
где о - среднеквадратическое отклонение, равное ].
В настоящее время с помощью современного персонального компьютера (ПК) есть возможность автоматизировать процесс определения уровня отбраковки. С этой целью разработана автоматизированная система отбраковки потенциально-ненадежных транзисторов по следующей структурной схеме (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы отбраковки потенциально-ненадежных транзисторов: 1 - блок исследуемого транзистора; 2 - избирательный малошумящий усилитель;
3 - современный высокочувствительный осциллограф;
4 - ПК; 5 - калибровочный генератор
Путем изменения питающих напряжений в блоке исследуемого транзистора имеется возможность менять режим работы транзистора в широких пределах. Для маломощных транзисторов используют режим измерения коэффициента шума, указанный в технических условиях.
Одним из важных этапов работы является разработка избирательного ма-лошумящего усилителя. Избирательный усилитель в области низких частот рекомендуется построить с использованием 2Т-фильтра, принципиальная схема которого и частотная характеристика приведены на рис. 2.
Рис. 2. Электрическая схема 2Т-фильтра и его АЧХ
Если включить 2Т-фильтр в цепь отрицательной обратной связи в ЯС-усилитель, то поскольку на частоте ю = ю0 коэффициент передачи моста равен нулю, отрицательная обратная связь будет отсутствовать и коэффициент усиления усилителя будет максимальным. На всех остальных частотах коэффициент усиления избирательно уменьшается из-за наличия отрицательной обратной связи. В результате амплитудно-частотная характеристика усилителя с 2Т-фильтр в цепи отрицательной обратной связи будет иметь ярко выра-
1
женный максимум на частоте ю0 =-.
КС
В качестве активного элемента для реализации малошумящего усилителя выбираем операционный усилитель АВ797. Данный операционный усилитель имеет низкий уровень собственных шумов. Основным параметром усилителя является уровень шума на частоте 10 Гц - 1,7 нВ. Принципиальная схема малошумящего избирательного усилителя приведена на рис. 3.
С4
2 О + 11п -Уп 7
3 4
6
С5
-О + Уп
-О -Уп
-о Вых
Р3
Р2
Рис. 3. Малошумящий избирательный усилитель
В цепь отрицательной обратной связи включен 2Т-фильтр, свойства которого рассмотрены выше.
В качестве высокочувствительного измерительного устройства использован осциллограф «PicoScopes», предназначенный для отображения, анализа, записи и измерения параметров сигналов. Осциллограф позволяет осу-Рис. 4. Осциллограф PicoScope 4000 ществить одновременную визуализацию, анализ и запись в реальном масштабе времени.
Осциллограф PicoScope 4000 имеет компактные размеры (всего 200^140x35 мм) и массу менее 500 г и является приставкой к выбранному ПК.
Специально разработанная программа обеспечивает статистическую обработку результатов измерения выборки и позволяет определить уровень отбраковки для данного типа транзисторов. В дальнейшем эта программа отмечает транзисторы, у которых спектральная плотность мощности шумов превышает уровень отбраковки.
Литература
1. Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнев Б.И. Особенности малошумящих усилителей // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 2013. № 4. С. 52.
2. Мехоношин В.С. Надёжность технических систем и техногенный риск. Ульяновск: УВАУГА, 2004.
3. Пряников В.С. Прогнозирование отказов полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1978. 112 с.
ПРЯНИКОВ ВИССАРИОН СЕМЕНОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры радиотехники и радиотехнических систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (pryanikoff@list.ru).
V. PRYANIKOV INPUT CONTROL IN TRANSISTORS BY LEVEL OF LOW-FREQUENCY NOISE
Key words: reliability, low-frequency noise, transistor, input control, automated system, low-noise amplifier.
In this article automated system of potentially-unreliable transistors rejection by level of low-frequency noise is offered. Implementation of this system at the input control phase considerably improves the operational reliability of radio electronic systems. Particular attention is paid to the development of a selective low-noise amplifier.
References
1. Kozlovskii E.U., Osipov A.M., Seleznev B.I. Osobennosti maloshumyashih usilitelei [Features of low-noise amplifiers]. Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta im. Yaroslava Mudrogo [Bulletin of the Novgorod State University named after Yaroslav Mydri], 2013, no. 4, p. 52.
2. Mechonshin V.S. Nadezhnost technicheskih system i technogennyi risk [The reliability of industrial systems and technological risks]. Ulyanovsk, 2004.
3. Pryanikov V.S. Prognozirovanie otkazov poluprovodnikovih priborov [Predicting of semiconductor devices failure]. Moscow, Energia Publ., 1978, 112 p.
PRYANIKOV VISSARION - Doctor of Technical Sciences, Professor of Radio and Radio Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (pryanikoff@list.ru).
Ссылка на статью: Пряников В.С. Организация входного контроля транзисторов по уровню низкочастотного шума // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 1. - С. 173-176.
