运算放大器电离总剂量效应研究

黄东巍等

摘 要： 对某型号国产双极型双路高压运算放大器在不同偏置条件和不同剂量率条件下的电离总剂量效应进行了研究。通过对运算放大器辐照前后的电参数进行测试，计算得到增强因子，分析特殊偏置条件和低剂量率条件对运算放大器电离总剂量效应的影响。试验结果表明，偏置条件不同，运算放大器的电离总剂量效应表现出明显差异性，各管脚短接相对于正常加电工作条件是较恶劣的一种偏置条件。在0.01 rad（si）/s低剂量率条件下，运算放大器表现出潜在的低剂量率增强效应。

关键词： 运算放大器； 管脚短接； 剂量率； 电离总剂量效应

中图分类号： TN722?34 文献标识码： A 文章编号： 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

运算放大器具有良好的线性和高电流驱动能力，广泛应用于空间系统中。然而，由于空间电离辐射环境的存在，导致运算放大器的性能发生退化，从而严重降低电子系统的可靠性。近年来，虽然国内对运算放大器的辐射效应已进行了一些研究[1?3]，但大都针对于国外产品，且未涉及各管脚短接等特殊偏置条件。

本文选用某型号国产运算放大器，在不同偏置条件和不同剂量率条件下进行电离总剂量效应研究。

1 实 验

对某型号国产双极型双路高压运算放大器进行了电离总剂量试验，其内部包含两路通用高速高增益运放，功能是对模拟电压信号进行线性放大。试验样品为同型号同批次产品。辐照总剂量为100 krad（si），剂量率选用50 rad（si）/s，0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s，其中在新疆理化所钴60伽马射线源上进行50 rad（si）/s和0.1 rad（si）/s剂量率条件下的试验，在上海计量院钴60伽马射线源上进行0.01 rad（si）/s剂量率条件下的试验。辐照后电参数测试采用移位测试方法，移位参数测量时间不超过1 h。辐照前后的主要测试电参数有输入失调电压（Vio）、输入偏置电流（Iib）、输入失调电流（Ios）和开环增益（AV） 等。在运算放大器各管脚短接（不加电）和正常加电工作状态下，各选择4只样品，在50 rad（si）/s剂量率条件下辐照到100 krad（si）总剂量， 并对主要电参数进行测试。

在运算放大器正常加电工作状态下， 各选择4只样品，在50 rad（si）/s，0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s剂量率条件下，分别辐照到总剂量100 krad（si）， 并对主要电参数进行测试。

2 试验结果分析

2.1 不同偏置条件

在运算放大器各管脚短接（不加电）和正常加电工作状态下，各选择4只样品，在50 rad（si）/s剂量率条件下辐照到100 krad（si）总剂量，并对主要电参数进行测试。图1中，（a）为运算放大器各管脚短接（不加电）示意图，（b）为正常加电工作状态示意图。

令电参数变化百分比为⊿，⊿=（辐照后参数值-辐照前参数值）÷辐照前参数值。先计算每只样品辐照前后的各电参数变化百分比，再对4只样品的各电参数变化百分比求平均值，数据如表1和表2所示。

从表1和表2中看到，在各管脚短接和正常加电条件下，经过辐照后的各试验样品，其输入偏置电流（Iib）均呈现增长趋势，开环增益（AV）均呈现降低趋势。其余主要电参数也呈现出不同程度变化。

令增强因子[4?5]为E，E=⊿短接/⊿正常加电，结果如图2所示。从图2中看出，在50 rad（si）/s剂量率条件下，辐照到100 krad（si）总剂量时，运算放大器的绝大部分电参数的E值大于1，即在各管脚短接条件下的变化量大于正常加电条件下的变化量，最大差异可达8倍。相对于正常加电条件，运算放大器各管脚短接偏置条件是相对恶劣的一种偏置条件。

2.2 不同剂量率条件

在运算放大器正常加电工作状态下， 各选择4只样品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s剂量率条件下，分别辐照到100 krad（si）总剂量， 并对主要电参数进行测试。

同样，令参数变化百分比为⊿，⊿=（辐照后参数值-辐照前参数值）÷辐照前参数值。先计算每只样品辐照前后的各电参数变化百分比，再对4只样品的各电参数变化百分比求平均值。数据如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s剂量率条件下，经过辐照后的各试验样品，其输入偏置电流均呈现增长趋势，开环增益均呈现降低趋势。其余主要电参数也呈现出不同程度变化。

令E（增强因子）=⊿低剂量率/⊿剂量率，计算结果如图3和图4所示。

3 结 论

在不同偏置条件和不同剂量率条件下，对某型号国产运算放大器进行了电离总剂量效应研究。将运算放大器各管脚短接（不加电）和正常加电工作状态下的试验结果进行了对比。试验结果表明，相对于正常加电条件，各管脚短接是相对恶劣的一种偏置条件。将运算放大器在不同剂量率条件下的试验结果进行了比对。试验结果表明，在0.01 rad（si）/s剂量率条件下辐照到100 krad（si）总剂量时，运算放大器具有潜在的低剂量率增强效应。

参考文献

[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] 郑玉展，陆妩，任迪远，等.双极运算放大器辐射损伤效应研究[J].核技术，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] 陆妩，余学峰，任迪远，等.双极晶体管不同剂量率的辐射效应和退火特性[J].核技术，2005，28（10）：755?758.

2.2 不同剂量率条件

在运算放大器正常加电工作状态下， 各选择4只样品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s剂量率条件下，分别辐照到100 krad（si）总剂量， 并对主要电参数进行测试。

同样，令参数变化百分比为⊿，⊿=（辐照后参数值-辐照前参数值）÷辐照前参数值。先计算每只样品辐照前后的各电参数变化百分比，再对4只样品的各电参数变化百分比求平均值。数据如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s剂量率条件下，经过辐照后的各试验样品，其输入偏置电流均呈现增长趋势，开环增益均呈现降低趋势。其余主要电参数也呈现出不同程度变化。

令E（增强因子）=⊿低剂量率/⊿剂量率，计算结果如图3和图4所示。

3 结 论

在不同偏置条件和不同剂量率条件下，对某型号国产运算放大器进行了电离总剂量效应研究。将运算放大器各管脚短接（不加电）和正常加电工作状态下的试验结果进行了对比。试验结果表明，相对于正常加电条件，各管脚短接是相对恶劣的一种偏置条件。将运算放大器在不同剂量率条件下的试验结果进行了比对。试验结果表明，在0.01 rad（si）/s剂量率条件下辐照到100 krad（si）总剂量时，运算放大器具有潜在的低剂量率增强效应。

参考文献

[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.

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[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] 陆妩，余学峰，任迪远，等.双极晶体管不同剂量率的辐射效应和退火特性[J].核技术，2005，28（10）：755?758.

2.2 不同剂量率条件

在运算放大器正常加电工作状态下， 各选择4只样品，在50 rad（si）/s、0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s剂量率条件下，分别辐照到100 krad（si）总剂量， 并对主要电参数进行测试。

同样，令参数变化百分比为⊿，⊿=（辐照后参数值-辐照前参数值）÷辐照前参数值。先计算每只样品辐照前后的各电参数变化百分比，再对4只样品的各电参数变化百分比求平均值。数据如表3和表4所示。

由表3、表4得，在0.1 rad（si）/s和0.01 rad（si）/s剂量率条件下，经过辐照后的各试验样品，其输入偏置电流均呈现增长趋势，开环增益均呈现降低趋势。其余主要电参数也呈现出不同程度变化。

令E（增强因子）=⊿低剂量率/⊿剂量率，计算结果如图3和图4所示。

3 结 论

在不同偏置条件和不同剂量率条件下，对某型号国产运算放大器进行了电离总剂量效应研究。将运算放大器各管脚短接（不加电）和正常加电工作状态下的试验结果进行了对比。试验结果表明，相对于正常加电条件，各管脚短接是相对恶劣的一种偏置条件。将运算放大器在不同剂量率条件下的试验结果进行了比对。试验结果表明，在0.01 rad（si）/s剂量率条件下辐照到100 krad（si）总剂量时，运算放大器具有潜在的低剂量率增强效应。

参考文献

[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] 郑玉展，陆妩，任迪远，等.双极运算放大器辐射损伤效应研究[J].核技术，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] 陆妩，余学峰，任迪远，等.双极晶体管不同剂量率的辐射效应和退火特性[J].核技术，2005，28（10）：755?758.