Проект операционного усилителя с учётом влияния радиации

• 5. Решение задач на ЭВМ
• 5.1 Обработка экспериментальных данных, полученных из литературных источников, с помощью MicrosoftOfficeExcel
• На Рис. 40 приведён пример использования программы MicrosoftOfficeExcel в обработке литературных экспериментальных данных.
• А) Б)

Рис. 40Экспериментальная (А) и оцифрованная (Б) зависимость усиления ОУ от накопленного гамма-излучения

Оцифровка эксперимента из литературы производилась в несколько этапов. На первом этапе с экспериментальных графиков снимались значения и заносились в таблицу в программе MicrosoftOfficeExcel. На втором этапе из этих данных строилась диаграмма, которая в точности повторяет экспериментальную. Для этого использовалась функция построения диаграмм.

• 5.2 Создание модели БТ с использованием OrCAD без и с учётом влияния радиации

Для сквозного проектирования радиоэлектронной аппаратуры применяются программы для схемотехнического моделирования, такие как OrCAD, HSPICE, ELDO, SPECTOR.

В настоящей работе для исследования ОУ использовался OrCAD,который представляет собой целый ряд модулей, каждый из которых обладает собственными уникальными функциями. Их состав и количество меняются от версии к версии. Можно выделить:

* Capture - графический редактор для создания электрических принципиальных схем из моделей элементов;

* CaptureComponentInformationSystemOption - графический редактор, аналогичный предыдущему и имеющий доступ к постоянно обновляемым каталогам компонентов, содержащим более 200 000 наименований;

* PSpiceAnalogDigital - программа для моделирования работы аналоговых или смешанных аналого-цифровых устройств большого размера (или их частей);

* PSpiceАdvancedАnalysis - модуль параметрической оптимизации;

* PCB Designer - редактор топологий плат.

Программный пакет OrCAD имеет всёнеобходимое для выполнения различных этапов процесса разработки: входное проектирование, функциональное моделирование, синтез, размещение, трассировка, моделирование задержек, генерация элемента. Физическое проектирование начинается с выбора библиотечного и технологического базиса. В OrCADCapture есть возможность создать проект в схемотехнической форме из уже готовых компонентов, а также в VHDL- или Verilog-моделях. На этапе функционального моделирования на входы проекта посылаются тестовые сигналы, полученные выходные данные можно сравнить с ожидаемыми результатами.[15]

Стандартные модели PSpice позволяет описывать следующие элементы:

Резисторы: в программе PSpice используется две модели резисторов: идеальная и реальная. В идеальной модели резистор - это идеальный элемент,обладающий только заданным сопротивлением. В реальной модели учитываются температурные коэффициенты резистора.

Для использования реальной модели параметры резисторов задаются с помощью директивы .Model:

Rxxx<+узел><-узел><имя модели><сопротивление>

.Model<имя модели><имя типа > [<имя параметра>= <значение>]

Если требуется учесть частотные свойства резистора, то в схеме резистор надо заменить его эквивалентной схемой, состоящей из параллельного соединения резистора и конденсатора.

Конденсаторы: в программе Pspice конденсатор используется как идеальный элемент или как встроенная модель.

Транзистор: Программы PSpice имеют встроенные математические модели типовых компонентов: биполярные транзисторы, МОП-транзисторы, полевыетранзисторы с управляющим p-n - переходом, арсенид-галлиевый полевой транзистор.Кроме того присутствуют модели: диодов, конденсаторов, резисторов, индуктивностей, ключей,независимыхисточников напряжения и тока, линий задержки, управляемыхисточников, операционныхусилителей, компараторов.

Для описания биполярного транзистора в программе PSpice используется модель Гуммеля-Пуна, которая представлена на Рис. 41.

Как видно из Рис. 41, в модели имеется:

- два диода, отображающие переходы база-эмиттер и база-коллектор;

- генератор тока I_эк, описывающий передачу тока от эмиттера к коллектору и наоборот;

- емкости переходов база-эмиттер и база-коллектор, включающие барьерную составляющую и диффузионную;

- сопротивления областей базы, эмиттера и коллектора.

Рис. 41 Представление транзистора по модели Геммеля-Пуна.

Генератор сквозного тока I_экописывается выражением:

где I_s - ток насыщения, имеющий порядок 10^-12-10^-15А

U_бэ, U_бк - напряжения на переходах база-эмиттер и база-коллектор;

_t- тепловой потенциал, равный (при 27 градусах Цельсия) 0,026 мВ;

n_f, n_r - коэффициенты неидеальности переходов база-эмиттер и база-коллектор (их значения близки к единице);

Q_б- заряд в базе транзистора, учитывающий высокий уровень инжекции.

Токи базы в прямом и инверсном включении описываются с помощью выражений:

где B_f и B_r коэффициенты усиления тока базы в прямом и инверсном включении.

Определение основных параметров модели.

Основными параметрами модели Гуммеля-Пуна являются:

I_s - ток насыщения (А);

n_f - коэффициент неидеальности в прямом включении;

B_f - коэффициент усиления тока базы в прямом включении;

V_af - напряжение Эрли в прямом включении (В);

R_b - сопротивление базы транзистора (Ом);

R_с - сопротивление базы транзистора (Ом);

С_je- емкость перехода эмиттер-база(Ф);

C_jc- емкость перехода база-эмиттер (Ф);

I_kf- ток начала спада характеристики B_f(I_k)

К сожалению, стандартные модели, входящие в состав САПР OrCAD, не учитывают влияния радиационного воздействия на характеристики транзисторов.

Однако обычно для моделирования воздействия радиации на БТ используют макромодельный подход, который заключается в добавлении источников тока или напряжения либо диодов, характеристики которых зависят от поглощённой дозы.

Характеристики облучённых транзисторов

Для транзисторов с учётом гамма-излучения использовались макромодели для четырёх типов транзисторов, использующихся в схеме uA741.

Подробное описание макромодели с помощью команды subcktприведены в приложении Б. На Рис. 42-Рис. 45 приведены смоделированные

Характеристики Гуммеляи выходные характеристики БТ, входящих в состав uA741, с использованием САПР OrCAD.

На графиках сплошными линиями показаны характеристики БТ после воздействия гамма-излучения с суммарной поглощённой дозой 3,5 Мрад, а пунктирными линиями до воздействия радиации.

А) Б)

Рис. 42Характеристика Гуммеля (А) и выходная характеристика (Б) n-p-n транзистора до и с поглощённой дозой 3,5 Мрад

А) Б)

Рис. 43Характеристика Гуммеля (А) и выходная характеристика (Б) p-n-p транзистора до и с поглощённой дозой 3,5 Мрад

А) Б)

Рис. 44Характеристика Гуммеля (А) и выходная характеристика (Б) SPNP мощного транзистора до и с поглощённой дозой 3,5 Мрад

А) Б)

Рис. 45Характеристика Гуммеля (А) и выходная характеристика (Б) 3PNP мощной части много коллекторного транзистора Q13 до и с поглощённой дозой 3,5 Мрад

• 5.3 Определение радиационно-зависимых SPICE параметров макромодели БТ для учёта воздействия влияния гамма-излучения

Из анализа литературы стало ясно, что при накоплении дозы гамма-излучения в БТ в первую очередь меняется ток рекомбинации, это означает, что возрастает ток базы БТ.

Для учёта влияния гамма-излучения на характеристики БТ была создана макромодель, состоящая из БТ и диода, подключённого к контактам база и эмиттер. В этой модели ток диода зависит от накопленной дозы следующим образом: , гдеD-накопленная доза гамма-излучения, -ток диода не подверженного влиянию радиации, -коэффициент эффективности поглощения гамма-излучения. На Рис. 46 представлена схема макромодели БТ с учётом гамма-радиации.

Из-за отсутствия экспериментальных данных БТ, применяемых в uA741, для описания деградации характеристик транзисторов использовались аналогичные по структуре транзисторы. При этом деградацию характеристик транзистора описывалось с использованием 3-х макромоделей, которые отличались эффективностью влияния на характеристики. Таким образом учитывались два крайних случая со слабой и сильной деградацией, а также со средней степенью деградации.

Рис. 46Схема макромодели БТ с учётом воздействия гамма-радиации

• 5.4 Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных до и после воздействия гамма излучения в MicrosoftOfficeExcel
• Далее будет представлено сравнение результатов схемотехнического моделирования и экспериментальных данных uA741[1]. На Рис. 47 и Рис. 48 приведены экспериментальные и смоделированные амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, соответственно.
• Рис. 47Промоделированная и экспериментальная амплитудно-частотная характеристика uA741

• Рис. 48Промоделированная и экспериментальная фазо-частотная характеристика uA741

Как видно из приведённых графиков, экспериментальные и промоделированные результаты имеют отличное совпадение друг с другом. На Рис. 49 представлен график сравнения экспериментальных и полученных путём моделирования коэффициентов усиления ОУ с воздействием гамма-излучения.

Рис. 49Зависимость коэффициента усиления uA741 от дозы в относительных единицах

Как видно из приведённых графиков, с помощью использования MicrosoftOfficeExcel можно сравнивать оцифрованные ранее экспериментальные и промоделированные данные. Для этого можно поместить их на одну координатную ось, что позволяет их сравнивать. Также можно использовать возможность добавления отклонений от экспериментальных или промоделированных данных.

• 5.5 Подготовка текста ВКР в программе MicrosoftOfficeWord
• Для подготовки текста использовалась программа MicrosoftOfficeWord, в ней был набран текст настоящей выпускной квалификационной работы. В настоящей работе использовалось много возможностей предлагаемых программой MicrosoftOfficeWord таких как: набор и редактирования текста, вставки графиков из MicrosoftOfficeExcel, вставки рисунков, создания таблиц, автоматическое создание оглавления, автоматическая нумерация рисунков, перекрёстные ссылки на рисунки. Для вставки графиков из программы MicrosoftOfficeExcel необходимо находясь в окне MicrosoftOfficeExcel выделить нужный график или графики, после чего нажать кнопку копировать, после этого необходимо перейти в окно MicrosoftOfficeWord, установить курсор в то место, куда нужно поместить график и нажать кнопку вставить, после этого этот график можно продолжить редактировать в программе MicrosoftOfficeWord. Для вставки рисунков можно воспользоваться либо описанным выше методом, либо воспользоваться функцией вставки рисунков, для этого необходимо перейдя во вкладку "Вставки" нажать кнопку "Рисунок" и выбрать тот рисунок, который необходимо поместить в документ MicrosoftOfficeWord. Для создания таблиц в программе MicrosoftOfficeWord также необходимо перейти во вкладку "Вставки" и нажать кнопку "Таблица", после чего во всплывающем окне выбрать нужный вариант. Для создания автоматического оглавления необходимо перейти во вкладку "Ссылки" и нажать кнопку "Оглавление", далее во всплывающем окне выбрать нужный вариант типа оглавления. Для создания автоматической нумерации рисунков необходимо перейти во вкладку "Ссылки" и нажать кнопку "Вставить название" и выбрать необходимый вариант или сделать свой. Для создания перекрёстных ссылок необходимо перейти во вкладку "Ссылки" или "Вставка", после чего нажать кнопку "Перекрёстная ссылка" и выбрать нужный тип ссылок и нужную ссылку.

• Заключение
• В результате выполнения дипломной работы был разработан операционный усилитель с учётом влияния гамма-излучения на его характеристики.В процессе выполнены работы были решены следующие задачи:

· Сформирована макромодель БТ с учётом облучения гамма-квантами; на основе экспериментальных данных определены коэффициенты радиационной деградации параметров БТ;

· Методами схемотехнического моделирования исследованы режимы работы ОУ с учётом облучения гамма-квантами. Получены зависимости коэффициента усиления, напряжения смещения нуля от величины накопленной дозы.

· Определено, что деградация характеристик усилительного каскада оказывает наибольшее влияние на деградацию характеристик данного ОУ. Показано, что основной причиной деградации данного ОУ является изменение смещения нуля.

• Список литературы

1F.A.S.Soliman, "Operational Amplifier tipe 741: characterization and radiation effects", Commun. Fac. SciUniv. Ank. SeriesA₂A₃,V. 42,pp. 15-32 (1993)

2 А.С. БАКЕРЕНКОВ, Д.В. САВЧЕНКОВ, А.А. ЛЕБЕДЕВ, В.И РУСАНОВСКИЙ ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ДЕГРАДАЦИЮ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM124, Научная сессия МИФИ, 2010, с. 258--260;

3Агаханян Т.М., Никифоров А.Т. Прогнозирование эффектов воздействия импульсного ионизирующего излучения на операционные усилители.// Микроэлектроника, 2002, том 31, N31,

4Jin Xiaoming, Ma Qiang, Qi Chao, BaiXiaoyan, Li Ruibin, Wang Guizhen, Lin Dongsheng, Yang Shanchao, State Key "TRANSIENT IONIZING RADIATION EFFECT OF BIPOLAR OPERATIONAL AMPLIFIERS TO PULSED X-RAYS" Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an, China, 2013

5Luiz H. Claro and Josй A. dos Santos, "EFFECTS OF GAMMA RADIATION ON COMMERCIALOPERATIONAL AMPLIFIERS", 2009 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2009Rio de Janeiro,RJ, Brazil, September27 to October 2, P. 41076047;

6 Применение операционных усилителей // интернет энциклопедия википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Применение_операционных_усилителей (5.05.2015)

7 О. П. Новожилов. "Электротехника и электроника". Учебник. М: Юрайт, 2014

8 Ю. Ф. Опадчий, "Аналоговая и цифровая электроника".Учебник для вузов, М: Горячая Линия - Телеком, 2005

9Операционные усилители // Интернет ресурс URL: http://zpostbox.ru/operatsionny_usilitel.html (16.0.3.2015)

10Гамма-излучение // Интернет энциклопедия википедияURL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гамма-излучение (5.05.2015)

11Э.Н. Вологдин, А.П. Лысенко Интегральные радиационные изменения параметровполупроводниковых материалов Москва 1998г

12 Т. М. Агаханян. "Проектирование электронных устройств на интегральных операционных усилителях".Учебное пособие. М: МИФИ 2008

13 СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение" М: 2011

14 СанПиН 2.2.2.542-96 "Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронным вычислительным машинам и организации работы" М: 1996

15OrCAD //ИнтернетресурсURL: http://cxem.net/software/orcad.php (14.03.2015)

Размещено на Allbest.ru