馮寒亮，周　輝，石躍武，王　偉，相　輝，朱志臻

(西北核技術(shù)研究所，西安710024;強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024)

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OP07運算放大器電磁脈沖效應(yīng)實驗研究

馮寒亮，周輝，石躍武，王偉，相輝，朱志臻

(西北核技術(shù)研究所，西安710024;強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024)

摘要：以BJT型OP07號運算放大器為研究對象，建立了一套適合集成運算放大器電磁脈沖損傷效應(yīng)實驗的系統(tǒng)和方法。通過方波脈沖直接注入，研究了電磁脈沖對運算放大器的瞬態(tài)干擾和損傷。觀察OP07運放的實時工作狀態(tài)，捕獲到增益減小、直流輸出、輸出信號Y向偏移和輸出信號波形失真四種典型的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：電磁脈沖；損傷效應(yīng)；BJT；運算放大器

運算放大器是現(xiàn)代集成電路的重要組成部分。隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜化，運算放大器面臨的電磁威脅也就越來越嚴(yán)重。因此，分析運算放大器的電磁脈沖效應(yīng)，研究其對電磁脈沖的易損性，對提高信息化電子設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。國外從20世紀(jì)70年代就開始對集成電路的EMP損傷效應(yīng)及閾值進(jìn)行研究[1-2]。美國于1978年出版的《集成電路電磁敏感性手冊》，涉及大量關(guān)于運算放大器射頻干擾實驗的數(shù)據(jù)。實驗發(fā)現(xiàn)，被測的運算放大器對傳導(dǎo)進(jìn)輸入端的射頻干擾能量特別敏感[3]。Ruediger等研究發(fā)現(xiàn)，對于靜電等產(chǎn)生的超短電壓尖脈沖(10V, 100ns)會使741運算放大器電源線路或運放輸出產(chǎn)生直接或間接的擾動[4]。Masetti等針對不同工藝的集成運算放大器，分析了電磁干擾敏感性與大信號運放特性之間的關(guān)系[5]。在國內(nèi)，羅新華等研究認(rèn)為，某些電應(yīng)力的瞬態(tài)過載使電子元器件受到損傷[6]。吳生虎等認(rèn)為，集成運算放大器的失效模式主要包括輸入端過電應(yīng)力失效、電源端燒毀失效、輸出端過電應(yīng)力失效和補償端的燒毀失效[7]。林曉玲等研究表明，外來浪涌電壓是運算放大器失效的根本原因[8]。

本文選取低噪聲BJTDIP-8型OP07運算放大器，開展了不同脈寬、不同電壓下的方波脈沖效應(yīng)實驗，獲取并分析了電磁脈沖對OP07的瞬態(tài)干擾和損傷效應(yīng)。

1實驗原理與方法

運算放大器EMP損傷效應(yīng)實驗系統(tǒng)配置，如圖1所示，主要設(shè)備包括脈沖注入源(方波源)、信號源、數(shù)字示波器、直流穩(wěn)壓電源、電壓探頭、電流環(huán)、基于“電壓跟隨器”的工作與測試電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機等。方波脈沖直接注入到運放的正相端，同時，利用注入鉗將運放工作信號通過耦合注入的方式也注入到運放的正相端。系統(tǒng)輸出端的示波器記錄了運放在受到電磁脈沖干擾和損傷時的瞬時效應(yīng)現(xiàn)象。在注入完成后，再次對運放功能進(jìn)行檢測，記錄了被損傷的運放的工作輸出現(xiàn)象。

脈沖注入實驗步驟見圖2。注入的方波脈寬分別為50，100，150，200，300，500，800ns和1μs，注入電壓為100～600V。為避免累積效應(yīng)，每個器件僅注入一次。

OP07工作電壓為±15V，輸入的工作信號為正弦波，工作頻率為70kHz，信號峰-峰值為1V。實驗中，由OP07構(gòu)成的“電壓跟隨器”正常工作時，可實現(xiàn)電壓信號幅度的輸入、輸出比為1∶1。

圖1運算放大器EMP損傷效應(yīng)實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1EMP damage effects test system of the operational amplifier

圖2 運算放大器脈沖注入實驗步驟Fig.2Test procedure for operational amplifier by pulsed current injection

2效應(yīng)現(xiàn)象與分析

實驗發(fā)現(xiàn)，方波脈沖主要會對運放產(chǎn)生干擾或者損傷兩大效應(yīng)。

2.1方波脈沖對運放的干擾效應(yīng)

OP07受到脈沖的瞬時干擾，即運放在正常工作過程中，正弦電壓信號出現(xiàn)大幅度不規(guī)則的波動，經(jīng)過一段短暫時間后又恢復(fù)正常，說明運放功能未喪失，見圖3。OP07受到干擾時間長度約為10～20μs，遠(yuǎn)大于注入脈沖的寬度。注入完成后，對運放功能進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)其能夠正常工作，即輸出信號仍為工作頻率70kHz、峰-峰值為1V的正弦波。

圖3方波脈沖對OP07的干擾Fig.3Square wave pulse interference on OP07

2.2方波脈沖對運放的損傷效應(yīng)

2.2.1瞬時損傷現(xiàn)象

OP07受到脈沖的瞬時損傷，即注入脈沖的一瞬間，其工作正弦信號電壓發(fā)生突變，迅速增大，隨后又迅速降低，接著在-13V的電壓值附近發(fā)生振蕩，并逐漸穩(wěn)定于-13V的負(fù)電壓直流輸出。此現(xiàn)象表明，運放工作信號在脈沖影響下，經(jīng)過一段時間后未恢復(fù)正常，則可在一定程度上判斷運放出現(xiàn)了損傷，已不能正常工作，即輸出信號不再是工作頻率70kHz、峰-峰值為1V的正弦波，如圖4所示。這一實時監(jiān)測結(jié)果，可用于輔助判斷運放功能好壞、是否發(fā)生損傷，以作為損傷判斷的事實支撐。但這一波形變化，僅僅體現(xiàn)的是方波注入瞬間運放的響應(yīng)。運放是否完全損壞，需進(jìn)一步通過檢測其功能是否正常來判斷。

圖4方波脈沖對OP07的瞬時損傷Fig.4Square wave pulse transient damage on OP07

2.2.2功能損傷現(xiàn)象

對出現(xiàn)瞬時損傷現(xiàn)象的運放，重新加載工作信號，檢測其工作狀態(tài)，通常會出現(xiàn)四類效應(yīng)現(xiàn)象：增益減小、直流輸出、輸出信號Y向偏移和輸出信號波形失真。除直流輸出效應(yīng)現(xiàn)象外，其余三種效應(yīng)現(xiàn)象在大部分情況下會同時出現(xiàn)。

1)增益減小

運放輸出增益減小，即峰-峰值為1V正弦信號輸入電壓跟隨器后，其輸出信號的峰-峰值小于1V，如圖5所示。這說明運放的輸出性能降低。

圖5增益減小Fig.5Gain attenuation

2)直流輸出

運放受到致命損傷后，大部分情況下會出現(xiàn)無正弦信號輸出，即一個約為-13V穩(wěn)定直流電壓輸出，如圖6所示。

圖6無信號直流輸出Fig.6No signal and DC output

3)Y向偏移

此類效應(yīng)現(xiàn)象是運放的輸出信號雖仍為正弦波，但發(fā)生了Y向偏移，如圖7所示。實驗發(fā)現(xiàn)，此類現(xiàn)象出現(xiàn)較多。

4)波形失真

出現(xiàn)瞬時損傷的運放，會出現(xiàn)不同程度的輸出信號失真。這類失真信號波形包括失真正弦波、三角波和鋸齒波等，如圖8所示。

圖7輸出波形發(fā)生偏移Fig.7Shift of output waveform

圖8非正弦波形輸出Fig.8Output non-sine waveform

3結(jié)論

本實驗通過脈沖電流注入方法，研究了電磁脈沖對OP07運放的瞬態(tài)干擾和損傷效應(yīng)，記錄了其在方波脈沖作用下的實時工作狀態(tài)，捕獲到干擾與損傷兩大效應(yīng)。其中，損傷效應(yīng)現(xiàn)象可分為四類：增益減小、直流輸出、輸出信號Y向偏移和輸出信號波形失真。除直流輸出效應(yīng)現(xiàn)象外，其余三種效應(yīng)現(xiàn)象通常會同時出現(xiàn)。根據(jù)電路輸出特性，結(jié)合實驗中捕獲的以上損傷效應(yīng)，確定了本實驗中OP07運放損傷判據(jù)，即待試器件出現(xiàn)以下現(xiàn)象中的一條可判定為損傷：1)增益減小大于10%；2)直流輸出；3)輸出信號波形發(fā)生Y向偏移超過10%；4)輸出信號波形失真。該判據(jù)也可作為運放EMP損傷閾值評判條件。

目前尚未對運放EMP損傷效應(yīng)成因，如運放損傷機理等進(jìn)行研究，僅通過大量實驗對損傷效應(yīng)進(jìn)行了研究分析。不同的損傷效應(yīng)與運放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、封裝形式等有很大關(guān)系，需進(jìn)一步實驗進(jìn)行深入研究。故初步分析認(rèn)為，方波脈沖對運放的干擾現(xiàn)象，與運放的轉(zhuǎn)換速率有很大關(guān)系。這很可能是與運放內(nèi)部電容充電過程的快慢有關(guān)[9-11]。運放出現(xiàn)損傷現(xiàn)象大多與熱損傷模式有關(guān)，導(dǎo)致器件受熱，最終引起開環(huán)增益、輸入失調(diào)電壓、轉(zhuǎn)換速率、全功率帶寬等電參數(shù)惡化[12-13]。

參考文獻(xiàn)

[1]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB538-88. 半導(dǎo)體器件電磁脈沖損傷閾值實驗方法[S]. 北京, 1988. (TheCommissionofScienceTechnologyandIndustryforNationalDefense.GJB538-88.Testingmethodsforelectromagneticpulsedamagethresholdofsemiconductor[S].Beijing, 1988.)

[2]喬登江.集成電路電磁脈沖損傷閾值測定的試驗方法[J]. 抗核加固, 1990, 7(3): 90-92.(QIAODeng-jiang.Electromagneticpulsedamagethresholdtestmethodofintegratedcircuit[J].KangHeJiaGu, 1990, 7(3): 90-92.)

[3]ROEJM.Integratedcircuitelectromagneticsusceptibilityhandbook:PhaseIII[R].ADA59442.TheMcDonnellDouglasAstronauticsCompany, 1979.

[4]RUEDIGERVG,HOSTICKABJ,etal.Theresponseof741opampstoveryshortpulses[J].IEEESolid-StateCircuits, 1980, 15 (5): 908-910.

[5]GRAFFIS,MASETTIG,GOLZIOD.NewmacromodelsandmeasurementsfortheanalysisofEMIeffectsin741op-ampcircuit[J].IEEETransElectromagnCompat, 1991, 33 (1): 25-34.

[6]羅新華, 陸長華. 某型制導(dǎo)雷達(dá)部分元器件失效模式的分析[J]. 上海航天, 1998(4): 34-37.(LUOXin-hua,LUChang-hua.Failuremodesanalysisforelectronicelementsofsomeguidanceradar[J].AerospaceShanghai, 1998(4): 34-37.)

[7]吳生虎, 馬秀麗. 集成運算放大器的使用可靠性[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 1998(2): 23-26.(WUSheng-hu,MAXiu-li.Applicationsreliabilityofintegratedoperationalamplifier[J].ElectronicProductReliabilityandEnvironmentalTesting, 1998(2): 23-26.)

[8]林曉玲, 章曉文. 運算放大器失效原因分析[C]// 第十四屆全國可靠性物理學(xué)術(shù)討論會. 蘇州，2011.(LINXiao-ling,ZHANGXiao-wen.Operationalamplifier’sfailureanalysis[C]//The14thNationalSymposiumonReliabilityPhysics.Suzhou, 2011.)

[9]周寧華. 集成運算放大器及其在電子線路中的應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1980.(ZHOUNing-hua.IntegratedOperationalAmplifierandItsApplicationinElectronicCircuit[M].Beijing:NationalDefenseIndustryPress, 1980.)

(下轉(zhuǎn)第020801-7頁)

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2016-03-28

作者簡介：馮寒亮(1982- )，男，陜西寶雞人，助理研究員，碩士，主要從事電磁脈沖效應(yīng)研究。 E-mail:fenghanliang@nint.ac.cn

中圖分類號：TM93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-6223(2016)020601(4)

ExperimentalResearchontheEffectofElectromagneticPulseonOP07OperationalAmplifier

FENGHan-liang,ZHOUHui,SHIYue-wu,WANGWei,XIANGHui,ZHUZhi-zhen

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024，China；StateKeyLaboratoryofIntensePulsedRadiationSimulationandEffect,Xi’an710024，China)

Abstract:An EMP damage effects test system for BJT OP07 operational amplifiers is built. In the test system, the square wave pulse is directly injected into the operational amplifiers. The EMP transient interference and damage phenomenon of operational amplifiers are observed, such as the gain depression, DC output, Y-direction deviations and waveform distortions of output signal waveform.

Key words:electromagnetic pulse；damage effect；BJT；operational amplifier