 |
Прогнозирование надежности ППП по уровню
|
|
|
|
Собственных шумов.
Многие исследователи, занимающиеся надежностью РЭА, в ряде своих работ, показали, что собственные шумы ППП, электровакуумных приборов, резисторов, штепсельных разъемов, контактов реле и других элементов РЭА несут информацию об их надежности.
По [3] физической основой метода прогнозирования отказов ППП по их низкочастотным шумам является зависимость уровня шума от наличия дефектов структуры и контактов прибора. Основными источниками шума в электрических цепях и активных элементах по [3], [6], [9], [10] являются:
* тепловой шум. Существует в любом проводнике или полупроводнике. Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума определяется по формуле Найквиста:
(18)
где к - постоянная Больцмана;
Т - постоянная температура;
R - активное внутреннее сопротивление прибора;
f - эквивалентная шумовая полоса.
Этот шум вызывается хаотическим тепловым движением носителей заряда;
* дробовый шум. Этот шум возникает вследствие флуктуации концентрации носителей заряда за счет случайности процессов генерации и рекомбинации. Чаще всего для его определения пользуются формулой Шоттки и среднеквадратичное значение шумового тока определяется как
(19)
где q - заряд e;
I - ток, протекающий через компенсаторный переход.
Для ППП с p-n переходами учитывают, что ток через переход является суммой прямого и обратного токов, причем каждому их них присущ дробовый шум. Поэтому в транзисторах дробовые шумы возникают в эмиттерном и коллекторном переходах:
(20)
(21)
где Гэ, Гк - дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов;
Iэбо, Iкбо - их обратные токи;
Iэ - прямой ток эмиттерного перехода.
|
|
|
Многими исследователями отмечено, что тепловой и дробовый виды шумов прямо не связаны с дефектами приборов и не содержат дополнительной информации о потенциальной надежности исследуемого прибора.
НЧ шумы. В литературе по надежности РЭА нет еще единой терминалогии для данного вида шума. Встречаются названия: фликкер-шум, шумы мерцания, шумы типа 1/f, избыточные шумы и НЧ шумы.
Причиной возникновения этого шума являются различные дефекты в структурах ППП. Для этого вида шума обычно рассматривают спектральную плотность мощности этого шума, которая пропорциональна величине, где коэффициент характеризует вид спектра. Энергетический спектр шума зависит от источника флуктуации, а так же от полосы пропускания цепей, через которые проходит сигнал. Спектральная плотность мощности шума равна усредненной по времени мощности. Приходящейся на единицу полосы частот, и характеризует распределение мощности в спектре частот. [3]. Спектральная плотность G(f) измеряется следующим образом
(22)
Используется также часто коэффициент шума
(23)
где U2ш.п.- квадрат эффективного напряжения шума, приведенного на вход;
Rг - сопротивление источника сигнала.
Отмечено, что коэффициент шума сильно зависит от сопротивления источника сигнала, что является недостатком этого параметра.
Многие исследователи отметили, что основные виды отказов ППП и интегральных схем (ИС) прогнозируются по уровню их НЧ шумов, поэтому считается, что чрез характеристики НЧ шума можно получить показатели надежности ППП и ИС. В качестве прогнозирующего характера можно использовать любую из рассматриваемых характеристик: Эффективное напряжение шума, коэффициент шума, спектральную плотность мощности, функцию автокорреляции.
Отмечено, что функция автокорреляции и спектральная плотность мощности любого случайного процесса тесно взаимосвязаны и для получения данных об этом процессе (где отражаются наиболее полно физическая сущность и параметры эт000ого процесса) достаточно измерить одну из этих характеристик. Но, с точки зрения удобства измерений в производственных условиях предпочтение. отдается спектральной плотности мощности шума.
|
|
|
Методы измерения НЧ шумов.
По [3] при измерении электрических шумов применяют следующие методы:
метод сравнения. Исследуемый шум сравнивается с эталонным сигналом или шумом. В этом методе измеряются относительные величины и чаще всего метод применяют при измерении коэффициента шума;
компенсаторный метод;
Модуляционный метод.
Оба метода дают высокую чувствительность и точность измерений, но реализуются только на высоких частотах. Применяют эти методы при исследовании тепловых и дробовых шумов;
метод непосредственного измерения НЧ шума. Метод основывается на получении спектральной плотности мощности шума на некоторой частоте через измерение эффективного напряжения шума при помощи высокочувствительного измерителя с известной полосой пропускания. Измеритель в общем случае должен содержать: линейный полосовой фильтр (с достаточно узкой полосой пропускания f), квадратичный детектор, интегратор, регистрирующее устройство. В настоящее время наиболее целесообразным считается импульсный режим измерения НЧ шума. Это связано с трудностью установления стационарного теплового режима ППП и ИС, так как доказано, что температура оказывает сильное влияние на основные электрические параметры ППП и ИС.
Рассмотрим по [3] практические схемы, реализующие измерение НЧ шумов ППП.
Структурная схема установки для измерения шумов транзисторов по [3] приведена на рис. 1. Путем измерения питающих напряжений имеем возможность менять режим работы транзистора в широких пределах. При известных режимах [3] (ток эмиттера Iэ > 1mA, напряжение коллектора Uк > 3 В), имеем возможность выявления постепенных отказов за счет изменения состояния поверхности, так и внезапных оотказов за счет объемных дефектов и дефектов контактных соединений. Для маломощных транзисторов используют режим измерения коэффициента шума, указанный техническими условиями. Описание работы подробно дается [3]. Измеряют эффективное напряжение шума, приведенное к базе транзистора Uш.б.через коэффициент усиления измерительной установки по напряжению Ки
|
|
|
(24)
где Uс.вых - калибровочное напряжение, измеренное на выходе установки;
Uс.вх - калибровочное напряжение на ходе исследуемого транзистора.
Для более точного измерения спектральной плотности шума измеряют ширину пропускания фильтра, которая определяет ошибку измерения.
(25)
где К(f), К(f0) - значения коэффициентов передачи линейного фильтра на некоторой частоте f и на резонансной частоте f0 соответственно. Коэффициент Ки по [24] можно также определять следующим образом по [3]
(26)
где Кп.у.,Ки.т - коэффициенты усиления предварительного усиления и усилительной схемы на исследуемом транзисторе.
Надо отметить, что для стабильности Ки.т применяется отрицательная обратная связь по току. В общем виде принципиальная схема включения исследуемого транзистора по [3] показана на рис.2.
Малошумящий усилитель - наиболее важная часть установки, определяющей уровень собственных шумов. В настоящее время разработано достаточное количество схем малошумящих усилителей.
Структурная схема для измерения шумов диодов приведена по [3] на рис.3.
Чтобы исключить заметный разброс значений дифференциального сопротивления при заданном токе соблюдают условия Rн<<Rдиф, тогда напряжение шума исследуемого диода определяется по формуле:
(27)
где Uш.изм. - напряжение шума, измеренное на выходе предварительного усилителя.
Следует отметить, что погрешность измерения шума диода в сильной степени зависят от нестабильности коэффициента Кп.у., поэтому его необходимо периодически проверять. Также следует отметить, что уровень шумов диодов значительно меньше транзисторных.
Некоторые особенности имеются при измерении шума мощных транзисторов. Как правило, здесь используется импульсный метод измерения. Схема включения мощных транзисторов по [3] приведена на рис.4. Описание схемы и процедуры измерения шума подробно дается в [3]
Разработаны измерители шумов ИС, в частности, структурная схема одного из них по [3] имеет следующий вид.(рис.5)
Описание работы данной структурной схемы приводится в [3].
6. Автоматизация измерения НЧ шумов
|
|
|
