Прогнозирование функциональной реакции аналоговой микроэлектроники на радиационное воздействие с использованием автоматизированного макромоделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Лукичев, Алексей Николаевич

• Лукичев, Алексей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лукичев, Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. МЕТОДЫ МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАДИОЭЛЕКТРОННУЮ АППАРАТУРУ.

1.1 Методы макромоделирования реакции схем радиоэлектронной аппаратуры на воздействие переходных процессов от действия электромагнитного излучения ядерного взрыва и ионизирующих излучений.

1.2 Оценка импульсной передаточной функции при воздействии ионизирующего излучения.

1.3 Аппаратно-интегрированная модель передаточной функции типа «вход-выход».

1.4. Выводык Главе I.

ГЛАВА II. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ.

2.1 Анализ и обоснование конфигурации автоматизированной измерительной системы. 2.2 Алгоритмы управления измерительным оборудованием.

2.2.1. Алгоритмы управления регистрирующими измерительными приборами

I 2:2.2. Алгоритмы управления стимулирующими измерительными приборами. 68 \ 2.3. Разработка программы управления измерительным оборудованием.

2.3.1. Программа управления измерительными приборами по каналу Общего пользования.

2.3.2.Программа управления источниками питания серии Б5-46.Б5-50.

2.3.3. Программа управления буферным коммутирующим устройством.

2.4. Сравнительная характеристика разработанной измерительной системы с измерительной системой «National Instruments».

2\ 5 Выводы к Главе II.

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

3.1.Примеры применения аппаратно-интегрированной макромодели в радиационных экспериментах для прогнозирования радиационной реакции с использованием программы «Macromodel».

3.1.1. Построение макромодели для прогнозирования отклика электрической цепи на изменение входных сигналов.

3.1.2. Построение макромодели для прогнозирования отклика электрической цепи на внешнее дестабилизирующее воздействие.

3.2. Применение автоматизированной измерительной системы для исследования радиационной стойкости изделий микроэлектроники.

3.3 Выводы к Главе III.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование функциональной реакции аналоговой микроэлектроники на радиационное воздействие с использованием автоматизированного макромоделирования»

Интегральные микросхемы, широко применяемые в радиоэлектронной аппаратуре и различающейся по своему функциональному назначению, зачастую работают в условиях воздействия проникающей радиации. Такие условия возникают в случаях, когда объект находится в зоне действия источников ионизирующего излучения, например, вблизи ядерных энергетических установок, в составе аппаратуры космических аппаратов. Согласно сводным данным об ожидаемых уровнях ионизирующих излучений известно, что радиоэлектронная аппаратура может подвергаться воздействию следующих радиационных нагрузок [1]:

12 15 2

- флюенсу нейтронов (10 - 10 ) нейтрон/см и дозе гамма-квантов до 106 Р вблизи ядерных энергетических установок;

- флюенсу нейтронов (10 -10 ) нейтрон/см и гамма-квантов с экспозиционной дозой (1-Ю6) Р при мощности дозы (10п-1013) Р-с"1 от ядерного взрыва;

- при прохождении естественных и искусственных радиационных поясов Земли в течении 5-7 лет функционирования космического аппарата на геостационарной синхронной орбите - общей дозе

5,5-104 - 2,6-105) Р

14 2 эквивалентно интегральному потоку электронов 5-10 электрон/см , с энергией электронов более 1 МэВ).

Как правило, радиационно-стойкие электронные компоненты устанавливаются в системах, используемых в радиоэлектронике, предназначенной для работы в условиях воздействия радиации. Это обусловливает довольно жесткие требования по безотказности элементной базы радиоэлектронной аппаратуры [2]. Поэтому задача обеспечения радиационной стойкости интегральных микросхем и аппаратуры является исключительно актуальной. Так, например, поставлена задача увеличения гарантированного срока службы космических аппаратов до 15 лет, что особенно актуально для группировки «ГЛОНАСС». Другой важной особенностью современного этапа разработки электронной аппаратуры является все возрастающая её сложность. Разработчик в настоящее время стоит перед необходимостью разрабатывать и исследовать электронные схемы, состоящие из тысяч компонентов и электронной компонентной базы, в составе которой несколько миллионов транзисторных структур. Естественно, что неавтоматизированные методы контроля параметров при всех их достоинствах вряд ли могут удовлетворить высоким современным требованиям. Появление на рынке программно-управляемых измерительных приборов [3], а также развитие вычислительной техники привели к возможности создания автоматизированных измерительных систем. Эффективность использования современных технических средств будет существенно выше при разработке методов моделирования радиационного воздействия на микроэлектронные узлы и создания автоматизированных измерительных комплексов для исследования радиационной стойкости микроэлектронных узлов. Таким образом, актуальной становится задача синтеза алгоритмов для данных методов.

В настоящее время существует множество измерительных систем, предназначенных для решения задач по проведению исследований в различных областях науки. Как правило, такие измерительные системы построены для решения узконаправленных задач и не обладают универсальностью. Построение измерительных систем, обладающих универсальностью, возможностью решения задач широкого профиля, возможностью в дальнейшем наращивания банка измерительных приборов, а, следовательно, и увеличения возможности самой измерительной системы является актуальной проблемой на сегодняшний день.

Современный уровень развития технологий и средств предоставляет широкие возможности, связанные с передачей данных на большие расстояния, созданием распределенных приложений, работающих через сеть. Подобные достижения в последнее десятилетие стали возможными благодаря интеграции компьютерных систем с сетевыми технологиями.

Настоящее время характеризуется стремительным появлением и развитием новых информационных технологий. Одной из таких новых и революционных технологий является технология виртуальных приборов, позволяющая создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения практически любой производительности и сложности [97]. Суть этой технологии состоит в том, что измерительная и управляющая часть приборов и систем реализуется на аппаратной основе (устройств «ввода-вывода» аналоговых и цифровых сигналов), а их функциональная часть и пользовательский интерфейс - программными способами.

Преимущество и эффективность виртуальных измерительных технологий состоит в возможности программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы, легко перестраивать их к изменяющимся требованиям, уменьшить материальные затраты и время на разработку. При этом создаваемая измерительная система может быть оптимальным образом адаптирована для решения поставленных задач с учетом их особенностей.

Использование виртуальных измерительных технологий в современных автоматизированных измерительных системах является устойчивой мировой тенденцией последних лет. Об этом свидетельствует огромное количество разработок, а также множество зарубежных и отечественных публикаций, посвященных решениям задач в области автоматизации измерений, контроля и управления техническими и технологическими системами [95,97,100,102,105].

При использовании виртуальных измерительных технологий ЭВМ становится неотъемлемым компонентом автоматизированных измерительных и управляющих систем. Это дает возможность аппаратно-программного совмещения измерительных систем с телекоммуникационными сетями и обеспечения дистанционного доступа к измерительному и управляющему оборудованию. Подобная интеграция двух современных информационных технологий, а именно, телекоммуникационных сетевых технологий и технологии виртуальных приборов, качественно и количественно расширяет функциональные возможности систем, построенных на их основе. Позволяет связывать в единую систему большое число различных измерительных и управляющих устройств, удаленных друг от друга на большие расстояния, а также строить системы дистанционного управления различного назначения.

Весьма важным является продвижение дистанционных технологий в лабораторные практикумы и в учебный эксперимент как с целью повышения эффективности, так и снижения материальных затрат на обучение в сфере инженерного образования. При этом достигаются следующие принципиальные преимущества дистанционной учебной лаборатории: круглосуточная автоматическая работа; индивидуализация и повышение качества обучения; доступность дистанционной лаборатории из любой географической точки.

Возможность и эффективность использования системы дистанционного управления для решения тех или иных задач в значительной степени определяется ее структурой, временными задержками управляющей и измерительной информации, возникающих в телекоммуникационной сети, а также качеством процессов управления через сеть в реальном масштабе времени. Существенное значение в этом отношении имеют вероятностно-временные характеристики задержки и обусловленная ими статистическая динамика системы дистанционного управления. Анализ литературных источников [5,6] выявил отсутствие систематических данных как по построению и выбору структур дистанционных автоматизированных лабораторий, так и по экспериментальным исследованиям вероятностно-временных характеристик реальных систем дистанционного управления физическим и учебным экспериментом.

Важность развития технологии применения современных телекоммуникационных систем для их сопряжения с измерительноуправляющими комплексами, обеспечивающими возможность дистанционного управления физическим экспериментом, определяет актуальность данной темы.

В современной науке и технике объектами моделирования преимущественно являются технические (инженерные) системы - системы созданные человеком. Бурное развитие науки и техники ведет к тому, что объект исследования непрерывно усложняется. И уже сейчас технические объекты представляются в виде сложных систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных друг с другом компонент. Для исследования таких систем наиболее пригодным и нередко единственно возможным является современный метод компьютерного моделирования, который позволяет изучать системы без их физической реализации, исследовать критические режимы работы технических объектов, а так же поведение таких систем, функционирование которых опасно для человека или окружающей среды [98].

Постоянный рост сложности моделируемых объектов делает актуальным проблему разработки соответствующих программных комплексов, способных обеспечить расчет их моделей. Поскольку сложные инженерные объекты в общем случае описываются совокупностью моделей разной физической природы, то для их создания привлекаются ученые из различных областей науки, нередко не обладающие навыками программирования вычислительных средств. Кроме того, большое количество компонент объектов и их высокая размерность делают невозможным ручную обработку этих моделей. В этой связи не менее актуальным представляется разработка комплекса моделирования, обеспечивающего максимальную автоматизацию всех этапов вычислительного эксперимента, от разработки общих математических моделей до их программирования на параллельных системах.

Измерительную систему, основанную на персональном компьютере (ПК), можно реализовать несколькими способами [4-7]:

1. Укомплектовав ПК необходимым количеством многоцелевых плат сбора и обработки информации, перенеся обработку полученных данных на центральный процессор ПК.

2. Оснастив ПК интерфейсной платой сопряжения с сертифицированными цифровыми измерительными приборами, обладающими стандартными интерфейсами (RS-232, RS-485, канал общего пользования (КОП), général purpose interface bus (GPIB) и т.п.) и интерфейсной платой цифрового ввода-вывода [8]. В этом случае измерения будут проводиться на сертифицированных и метрологически поверенных средствах измерительной техники, а ПК будет только управлять процессом измерения, хранить и обрабатывать данные в соответствии с принятым стандартом и формировать протокол результатов измерений.

Оба описанных способа построения автоматизированной измерительной системы имеют как положительные, так и отрицательные аспекты. К достоинствам первого варианта можно отнести низкую стоимость готовой системы контроля, по сравнению с известными аналогами, которая складывается из стоимости ПК, плат сбора данных и разработки программного обеспечения (ПО). Недостатком данной системы является отсутствие метрологического обеспечения на платы сбора данных и отсутствие их регистрации в Государственном Реестре средств измерительной техники [9]. Это делает невозможным применение подобных систем при контроле параметров радиационно-стойких изделий электронной техники и приборов специального назначения.

Выходом из такого положения служит использование в составе автоматизированной измерительной системы измерительных приборов, разрешенных к применению Государственным Реестром средств измерительной техники, объединенных в общую систему под управлением ПК, через платы, реализующие стандартные интерфейсы сопряжения со средствами измерительной техники (RS-232, RS-485, КОП, GPIB) [10, 11]. В этом случае измерения будут проводиться приборами, прошедшими метрологическую поверку, а результат измерения будет фиксироваться ПК в протоколе измерения. Также на ПК будут возложены функции управления процессом измерения, путем формирования измерительной схемы и подключения соответствующих стимулирующих сигналов.

Автоматизированная измерительная система позволяет устанавливать необходимые режимы работы приборов и проводить измерения до, в процессе и после воздействия в течение единиц секунд, что немаловажно при прогнозировании стойкости изделий микроэлектроники.

Наряду с решением основной задачи проектирования — создания аппаратуры, способной выполнять необходимые функции, — уже на начальных этапах проектирования необходимо предвидеть возможность появления нарушений работоспособности из-за действия внешних воздействующих факторов и предусматривать в конструкции аппаратуры специальные меры по предотвращению вредных последствии воздействия внешней среды [1].

Одной из целей, достигаемых при проектировании, является исключение влияния внешних воздействующих факторов как доминирующих, вызывающих отказы.

К настоящему времени достаточно хорошо изучены нерадиационные внешние воздействующие факторы и вызываемые ими последствия. Накоплен значительный опыт по проектированию и конструированию аппаратуры, стойкой, прочной и устойчивой к воздействию этих факторов. При этом, чем выше нормы допустимых внешних воздействующих факторов, при которых сохраняются в установленных пределах характеристики аппаратуры, тем выше при прочих равных условиях показатели ее безотказности в реальных условиях эксплуатации.

В существенно меньшей степени на данном этапе развития техники разработчик знаком с характеристиками радиационных факторов и вызываемыми их действием нарушениями работоспособности аппаратуры.

Содержание основных понятий относящихся к условиям функционирования радиоэлектронной аппаратуры и характеристикам стойкости этой аппаратуры определено в ГОСТ 18298-79 [1].

К радиационным факторам относятся излучения, создаваемые ядерным взрывом, ядерными силовыми и энергетическими установками, и излучения, существующие в космическом пространстве. По характеру излучения принято различать корпускулярные и электромагнитные ионизирующие излучения [12]. Корпускулярные образуются элементарными частицами: нейтронами, протонами, электронами, бета- и альфа-частицами и осколками деления ядер; электромагнитные — это рентгеновское и гамма-излучения.

Для оценки возможных нарушений работоспособности ЭРИ и аппаратуры при воздействии ионизирующих излучений необходимо обладать информацией о возможных видах радиационных эффектах, их зависимости от амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик излучений.

Прохождение частиц ионизирующих излучений через какую-либо среду сопровождается их взаимодействием с атомами вещества. Результатом взаимодействия является передача энергии частицы окружающей среде. Дальнейшая релаксация полученной энергии и распределение ее по объему вещества происходят путем формирования вторичных радиационных эффектов [2]. В настоящее время принято выделять следующие основные радиационные эффекты: эффекты разупорядочения или смещения; и ионизационные эффекты [13]. Эффекты смещения обусловлены перемещением атомов из своего нормального положения в кристаллической решетке. Эти перемещения приводят к появлению структурных дефектов в кристаллической решетке, называемых радиационными дефектами. Ионизационные эффекты связаны с ионизацией вещества излучениями, т.е. с образованием под действием ионизирующих излучений свободных носителей заряда. Формирование радиационных эффектов сопровождается также переносом зарядов в веществе и выделением тепла. В ряде случаев возбужденные при поглощении частиц ядра атомов распадаются, что приводит к радиационному легированию исходного вещества.

Анализ радиационных эффектов в ИМС показывает, что в большинстве практических случаев влияние ионизирующих излучений прямо связано с энергией, выделенной излучением в полупроводнике [14-15]. Для описания энерговыделения используются как макроскопические, так и микроскопические параметры. Макроскопические параметры удобны для описания радиационного поведения ИМС малой и средней степени интеграции, заметная деградация которых происходит при большом числе элементарных взаимодействий внутри активного объема. В этом случае можно не учитывать флуктуации энерговыделения по объему и использовать в качестве параметра взаимодействия поглощенную (экспозиционную) дозу.

В настоящее время радиационную стойкость интегральных микросхем, как правило, определяют на основании результатов экспериментальных испытаний [16]. К недостаткам данного подхода относится довольно высокая стоимость проведения таких испытаний. Многочисленные испытания интегральных микросхем свидетельствует о том, что радиационная стойкость однотипных микросхем существенно отличается не только из-за разнообразия технологии изготовления и конструктивного оформления, но и в зависимости от функционального назначения и схемотехнической реализации электронных устройств на основе данной интегральной микросхемы. Поэтому проблема повышения радиационной стойкости электронной аппаратуры не может быть решена в рамках традиционного подхода, ориентированного, в основном, на количественное накопление и систематизацию конкретных, но частных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Эффективное решение указанных проблем возможно при дополнении экспериментальных исследований математическим моделированием радиационных эффектов в интегральных микросхемах. Модели поведения элементов интегральных микросхем, начиная от транзисторов, заканчивая усилительными каскадами и логическими элементами, разработаны с учетом почти всех известных факторов радиационного воздействия. Однако многочисленные экспериментальные исследования радиационной стойкости современных интегральных микросхем свидетельствуют о том, что создание моделей поведения отдельных элементов далеко не достаточно для однозначного прогнозирования изменения характеристик микросхемы в целом при радиационном воздействии [17]. Нельзя согласиться также с рекомендацией установить поведение к спецвоздействию целых микросборок, исходя из положения о том, что на основе испытаний элементов интегральных микросхем можно определить пределы применимости электронной аппаратуры в условиях радиационного воздействия.

Оценка радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры под действием ионизирующего излучения может осуществляться несколькими способами: экспериментальным, расчетно-экспериментальным, расчетно-аналитическим [16]. Экспериментальная оценка стойкости радиоэлектронной аппаратуры к действию импульсного гамма-нейтронного облучения в части ионизационных эффектов не всегда возможна из-за больших материальных и временных затрат и сложности достижения требуемых уровней ионизирующего излучения. Расчетно-аналитические и расчетно-экспериментальные методы позволяют значительно сократить материальные и временные затраты на исследование радиационной стойкости элементов и на ее прогнозирование. Терминальные модели входных и выходных цепей интегральных микросхем представляют собой модели, для которых заданы входные и выходные сигналы. Однако, если для простых компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов) математические модели известны и достаточно хорошо отработаны, то для интегральных микросхем их разработка связана с большими трудностями.

Одним из расчетно-экспериментальных методов, удовлетворяющих требованиям системного подхода к интерпретации экспериментальных результатов полупроводниковых интегральных схем, является макромоделирование.

Макромоделирование - систематизированный подход к созданию модели, содержащей все основные электрические характеристики микросхемы, полученные с учетом реальных режимов работы.

Расчетно-экспериментальный метод в наибольшей мере согласуется с принципами оценки стойкости изделий радиоэлектронной аппаратуры и практическими обстоятельствами:

- невозможно воспроизвести импульсное ионизирующее излучение во всем многообразии на лабораторных моделирующих источниках излучения и даже в натурных физических опытах;

- невозможностью комплектации приборов элементами с предельными значениями параметров стойкости;

- отличием реальных условий работоспособности испытываемых образцов от нормативных значений;

- необходимостью располагать достаточно надежной оценкой стойкости на самых ранних этапах разработки приборов;

- дискретностью уровней воздействия на исследуемый объект.

Расчетно-экспериментальный метод позволяет учесть все основные радиационные эффекты для любого функционального состояния прибора и определить гарантированные показатели его стойкости. Этот метод требует:

- анализа радиационных условий - разработки качественной модели радиационного воздействия на прибор;

- разработки количественной модели для расчета показателей стойкости прибора, соответствующей качественной модели радиационного воздействия и заданным условиям работоспособности;

- получения необходимых для расчета экспериментальных данных по радиационным характеристикам элементов, соответствующих режимам их работы в приборе;

- проведения расчетов гарантированного уровня стойкости для реальных условий облучения;

- экспериментального воспроизведения на моделирующих установках определяющих радиационных эффектов в приборе, что связано с выбором моделирующей установки, разработкой методик измерений;

- сравнения качественной и количественной модели с экспериментальными данными и корректировка, как самих моделей, так и последующих результатов.

Одним из важнейших этапов радиационных исследований и испытаний компонентов радиоэлектронной аппаратуры, проводимых на моделирующих установках, является анализ полученных экспериментальных результатов и априорной информации и их последующая интерпретация для обоснования заключения о стойкости компонентов радиоэлектронной аппаратуры к воздействию ионизирующего излучения [18].

Для выполнения основных целей радиационных исследований анализ экспериментальных данных должен дать возможность:

- оценить критериальные параметры исследуемых компонентов радиоэлектронной аппаратуры;

- установить причины и характер отказов;

- определить зависимости изменения свойств и параметров от радиационных факторов;

- выявить основные факторы и процессы, инициированные действием радиации;

- количественно оценить степень соответствия или различия результатов испытаний для различных режимов и условий испытаний;

- установить критерии для сравнения результатов испытаний, полученных для отличающихся режимов и условий испытаний.

Разнообразие направлений и характер задач анализа делает необходимым применение системного подхода к его планированию, организации и проведению.

Наиболее рациональным является проведение анализа в два этапа:

1) анализ экспериментальных данных, полученных при проведении испытаний на каждой из моделирующих установок;

2) сравнительный анализ и статистическая оценка результатов испытаний, полученных в различных условиях.

Такое разделение позволяет рационально направлять входящие и исходящие потоки информации и целенаправленно выполнять различные задачи анализа. На каждом этапе анализа применяется один основной принцип - сравнение. На первом этапе производится сравнение полученных экспериментальных данных с критериями, установленными нормативной документацией. На втором этапе - сравнительная оценка результатов испытаний для различных условий и режимов.

Сравнительный анализ должен дать возможность выявить радиационные факторы, основные радиационные эффекты, вызываемые ими, и их взаимосвязь. Разнообразие причин и характер механизма отказов требуют для анализа различных методов.

Системный подход дает возможность рационально применять на всех этапах анализа комплекс диагностических методов в совокупности со статистическими, расчетными и расчетно-экспериментальными методами. На основе общих принципов анализа отказов компонентов радиоэлектронной аппаратуры необходимо разрабатывать схемы анализа с учетом физических и конструктивных особенностей исследуемых приборов и характера радиационных процессов, протекающих в них. Системная последовательность поиска причин отказов дает возможность применять новейшие методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики в сочетании с разрушающими методами исследований структуры и поверхности материалов и элементов электронных приборов (электронная микроскопия, спектроскопия, микрорентгенография и др.).

Результаты системного анализа и классификации причин и характера отказов служат основанием для проведения конструктивных и технологических усовершенствований компонентов радиоэлектронной аппаратуры, поиска новых методов защиты и повышения их радиационной стойкости.

Моделирование интегральных микросхем, содержащих сотни и тысячи компонентов, путем разбиения на простейшие компоненты неоправданно и приводит к большим затратам времени при вычислении на электронно-вычислительной машине (ЭВМ), так как это связано с решением уравнений очень высокого порядка и сложностью входящих в интегральные микросхемы компонентов [19]. Другие ограничения связаны с отсутствием сведений о параметрах компонентов и модели принципиальной схемы. Поэтому необходима разработка простых интегральных моделей, или макромоделей. Сложность задачи определяется тем, что при воздействии ионизирующего излучения каждый р-п переход изменяет свои параметры, в результате чего возникают переходные процессы практически на всех выводах схемы. При этом характер переходных процессов зависит от сигналов на входах схемы, обратной связи, параметров воздействующего фактора, физики работы компонентов схемы, технологии изготовления и пр. Эти ограничения преодолеваются при макромоделировании, когда интегральная микросхема или часть схемы электронного устройства рассматривается как «черный ящик» и моделируются зависимости токов выводов схемы от напряжений на них и воздействия внешних факторов. Макромоделирование позволяет анализировать работу схемы в нормальных условиях, а также в условиях действия импульсного ионизирующего излучения.

Основные требования, предъявляемые к макромоделям:

- максимальная простота, учет минимума параметров, логики работы как в «нормальных» условиях, так и при воздействии ионизирующего излучения;

- ориентация на различные системы параметров;

- обеспечение достаточной точности;

- совместимость с моделями отдельных компонентов схемы;

- совместимость с процедурами обработки цифровой информации.

Один из важных методов построения макромодели состоит в том, чтобы, сохранив особенности схемотехнического построения рассматриваемой схемы, исключить максимально большее число элементов. Возможность подобного упрощения определяется тем, что большое число элементов вводится в схему для улучшения характеристик и исключения нежелательных эффектов [20].

Классификация макромоделей аналоговых интегральных схем может быть проведена по различным признакам [21]. Наиболее часто макромодели подразделяют по области их применения (диапазон рабочих токов, напряжений, частот и т. д.) на статические и динамические, линейные и нелинейные.

Нелинейные статические макромодели используются в основном при расчетах режимов аналоговых схем. Линейные статические макромодели используются в простейших случаях, чаще всего при ручных расчетах. Линейные динамические макромодели предназначены для анализа частотных характеристик в режиме малых сигналов и переходных процессов в рабочих режимах аналоговой схемы. Нелинейные динамические макромодели наиболее универсальны. Они имитируют работу схем с учетом инерционности при любых значениях напряжений и токов на внешних выводах.

Если макромодель не учитывает разброс параметров компонентов, то она является детерминированной. В статистических макромоделях учитывается разброс их параметров, расчет схем с такими макромоделями проводится на основе методов вероятностного анализа.

По форме представления макромодели можно разделить на аналитические и электрические [22]. Аналитические макромодели представляют собой систему уравнений, записываемых в виде функциональных зависимостей, в том числе и логических. В этой форме они присутствуют в библиотеке макромоделей. Аналитические макромодели часто называют также информационными или формальными. К электрическим относятся макромодели, описанные на языке эквивалентных электрических схем. Характерная особенность электрических макромоделей — наличие в эквивалентной схеме независимых переменных (например, потенциалы внутренних узлов), что приводит к необходимости формирования подсистемы уравнений, описывающих законы равновесия (законы Кирхгофа для электрической цепи). Естественно, что и аналитические, и электрические макромодели хранятся в памяти ЭВМ в цифровой форме в виде подпрограмм или данных [23].

По характеру моделируемых процессов макромодели можно разделить на электрические, механические, тепловые и т.д. Сходство дифференциальных уравнений, описывающих различные процессы, позволяет для их анализа применять программы автоматизации схемотехнического проектирования, записывая для них соответствующую эквивалентную электрическую, схему или используя транслятор с входного языка, отражающего новую предметную область, на входной язык программы.

По степени сложности макромодели можно разделить на модели на уровне компонентов, модели «серые ящики» и модели — «черные ящики» [20].

Модели на уровне компонентов (или на уровне полных эквивалентных схем) полностью повторяют структуру эквивалентной схемы интегральной микросхемы или ее фрагмента. Такие модели дают наиболее полную картину влияния компонентов на характеристики интегральных схем, так как они построены с учетом физики процессов, протекающих в схеме.

Модели — «серые ящики» содержат лишь некоторую, наиболее существенную в смысле влияния на характеристики (входные и выходные), информацию о структуре исходной моделируемой схемы. Модели — «черные ящики» построены исключительно на основе уравнений, описывающих характеристики интегральных схем.

Современные системы автоматизации схемотехнического проектирования решают задачи анализа и оптимизации электрических характеристик радиоэлектронных устройств [24]. Это, например, анализ электрических процессов в схеме во временной и частотной областях, расчет чувствительности выходных параметров к изменению параметров компонентов и сигналов [25].

Для описания электрической схемы соединения компонентов и элементов интегральных схем и директивных указаний для выполнения вычислительного процесса на ЭВМ в системе автоматизации схемотехнического проектирования предусматривается входной язык высокого уровня, ориентированный на пользователя [26]. Программа предусматривает выявление ошибок в описании схемы и задании на обработку и сообщает о них разработчику. В случае отсутствия ошибок составляется система уравнений, представляющих математическую модель исследуемой схемы. При формировании системы уравнений электрической схемы с сосредоточенными параметрами используются законы Кирхгофа для токов и напряжений.

Чаще всего используется закон Кирхгофа для токов - для любого узла электрической схемы и любого момента времени алгебраическая сумма токов всех ветвей, отходящих от узла, равна нулю:

2Й1 /£ = о (1)

Здесь ¡1 - ток /-й ветви; т - число ветвей, подходящих к узлу.

Для решения системы уравнений, записанных для (п—1)-го узла схемы удобно использовать метод узловых потенциалов. Различные модификации метода узловых потенциалов используются в большинстве современных программ.

Модели и макромодели интегральных схем представлены в ЭВМ программными модулями, с помощью которых по значениям независимых переменных (узловых потенциалов) на выводах интегральных схем вычисляют токи, составляющие систему уравнений (1).

Если в схеме содержатся ветви, для которых уравнения неразрешимы относительно тока ветви, то к уравнениям (1) следует добавить уравнения этих ветвей и сохранить токи в качестве переменных. Так как получаемая система уравнений является дифференциальной, при ее решении для описания реактивных элементов емкости и индуктивности вводят разностные соотношения, так что каждый из этих элементов в данный момент времени можно представить эквивалентной схемой в виде параллельно соединенных сопротивления и источника тока. В результате зависимости между токами и напряжениями заменяют более простыми алгебраическими зависимостями для дискретных моментов времени, после чего расчет схемы во времени сводится к последовательному расчету эквивалентных схем в режиме постоянного тока. Таким образом, система дифференциальных уравнений (1) сводится к нелинейной системе уравнений: 0 (2)

Здесь (р - вектор узловых потенциалов; Б - вектор-функция.

Для решения таких нелинейных уравнений на ЭВМ обычно используют модификации итерационного метода Ньютона. Реализация метода Ньютона сводится к решению на каждом шаге итераций линейных алгебраических уравнений вида

Г(Л0р*+1 - <рк) = F(

Здесь F'(<¡0Л:) — матрица Якоби; (рк — вектор узловых потенциалов на к-й итерации.

Итерационный процесс решения уравнений (2) продолжается до тех пор, пока изменение переменных (р на соседних итерациях не станет меньше наперед заданной величины. Матрица F/(

Формирование системы уравнений (3) заключается в последовательном обращении к подпрограммам, реализующим модели и макромодели интегральных схем, из которых состоит исходная схема. В подпрограммах вычисляется вклад компонентов в систему уравнений (3), а именно в вектор токов F(

И модели, и макромодели включают уравнения, устанавливающие связь между токами и напряжениями схем с двумя выводами, и уравнения равновесия (для электрической цепи — это уравнения Кирхгофа). Наличие уравнений равновесия свидетельствует о существовании дополнительных независимых переменных. При определении вклада модели интегральной схемы в вектор токов ¥{срк) и в матрицу Р'((рк) дополнительные независимые переменные определяются, как правило, для внутренних узлов модели двумя способами. При первом уравнения равновесия макромодели включаются в систему (3) и тем самым «границы макромодели растворяются», а для анализа предлагается общая эквивалентная схема, соответствующая системе (3). Таким образом, макромодель в данном случае присутствует лишь на уровне входного описания. При втором способе уравнения равновесия макромодели решаются отдельно от общей системы уравнений (3), т. е. реализуется достаточно известный в теории цепей метод подсхем. В настоящее время в программах чаще используется первый способ реализации как более простой. Можно ожидать, что с использованием двухуровневых вычислительных средств метод подсхем как основа макромоделирования получит более широкое применение за счет ряда преимуществ, к которым относится, например, возможность организации параллельных вычислений в различных подсхемах.

Применение макромоделей подразумевает еще один этап в вычислительном процессе — пересчет параметров макромодели в параметры элементов, составляющих эквивалентную схему макромодели. Такой пересчет, как правило, необходим, так как макромодель интегральной схемы имеет собственный, качественно иной набор параметров, отличающийся от параметров компонентов интегральной схемы.

Результаты решения системы (3) используются для определения выходных параметров анализируемой схемы, выдаются при необходимости на печать, являются исходной информацией для работы подпрограмм оптимизации характеристик схемы.

Поскольку аналитические макромодели не содержат уравнений равновесия, а описываются только компонентными уравнениями, небольшое число переменных в таких уравнениях с успехом позволяет использовать при построении макромоделей методы планирования эксперимента, а также теорию аппроксимации и интерполяции функций. Задача построения макромодели при этом формулируется как задача идентификации объекта. Макромодель формируется как система уравнений, аппроксимирующих набор экспериментальных точек, которые соответствуют поведению моделируемого объекта. Точки могут быть получены в результате эксперимента или анализа на ЭВМ с использованием более точной модели. Такой подход характеризуется высокой степенью формализации процесса макромоделирования, однако для нелинейных макромоделей полученные результаты носят частный характер, соответствуют условиям, в которых был получен набор экспериментальных точек.

При построении аналитической макромодели можно выделить следующие этапы:

- сбор исходной информации о характеристиках моделируемого объекта;

- выбор вида аппроксимирующих функций;

- вычисление коэффициентов функций, обеспечивающих наилучшее в определенном смысле приближение результатов моделирования к экспериментальным результатам;

- проверка погрешности полученной макромодели; если погрешность слишком велика, следует вернуться ко второму этапу.

Сбор исходной информации включает изучение структуры исследуемого объекта, измерение интересующих характеристик или поиск необходимой информации о параметрах интегральной схемы. Изучение структуры объекта помогает выбрать вид аппроксимирующих функций, в качестве которых для эквивалентных электрических схем выступают ток и напряжение, для логических схем — логические функции, для функциональных электрических схем — функции обобщенных показателей качества схем и выходных параметров.

В качестве аппроксимирующих функций часто используются асимптотические полиномы и экспоненциальные ряды. В общем случае аппроксимирующие функции желательно выбирать с учетом идеальных характеристик схем данной функциональной группы. Для каждой функциональной группы, как правило, имеется сложившееся представление о виде идеальных характеристик. Иногда аппроксимирующая функция задается в виде таблицы, содержащей значения аргументов и функции. Эти значения определяются методом интерполяции.

Коэффициенты аппроксимирующих функций определяют, минимизируя погрешности моделирования. Полученная погрешность моделирования характеризует точность макромодели. Если она не устраивает разработчика, следует изменить вид аппроксимирующих функций. Макромодели линейных схем (не содержащих нелинейных компонентов) можно отнести к разряду аналитических, если они представлены в виде набора схемных функций, таких как входные и выходные сопротивления, прямые и обратные передаточные функции в операторной форме.

Заметим, что любая полная модель линейной схемы может быть приведена к такому виду исключением внутренних переменных (с помощью, например, процедуры Гаусса). Иногда такие модели называют макромоделями-свертками. Однако полученная модель будет точной, вычислительные затраты при реализации такой модели в первом приближении соответствуют затратам для полной модели, и поэтому такая модель может быть названа макромоделью лишь условно.

Построение макромодели линейной схемы проводится в соответствии с перечисленными этапами. Схемные функции аппроксимируются рациональной функцией от р (где р — оператор Лапласа) с необходимой степенью точности. Следует отметить, что для линейных схем процедура построения макромодели может быть полностью формализована.

К электрическим относятся макромодели, представленные в виде эквивалентной схемы, которая может быть описана на входном языке программы анализа. Как правило, эквивалентная схема макромодели имеет внутренние узлы. Уравнения макромодели формируются транслятором с входного языка, что освобождает разработчика от утомительной работы по их составлению и преобразованию. Основное достоинство электрических макромоделей в том, что язык эквивалентных схем, на котором ведется их запись, понятен разработчикам радиоэлектронной аппаратуры. Применение этого языка позволяет при построении макромоделей рационально использовать знания о физических процессах, происходящих в схемах.

Задача построения нелинейных динамических макромоделей интегральных схем по полной эквивалентной схеме в общем случае (для любых сигналов) до настоящего времени не имеет решения. Существующие методики макромоделирования носят, как правило, рецептурный характер, а процесс макромоделирования в значительной степени является искусством. Попытки формализации методики макромоделирования проводились только для определенных частных случаев [27]. Основное число опубликованных макромоделей получено эмпирически. Несмотря на разнообразие подходов к макромоделированию, этапы построения электрических макромоделей соответствуют этапам построения аналитических макромоделей. Но вместо выбора вида аппроксимирующих функций производится выбор структуры эквивалентной схемы макромодели, а этап расчета коэффициентов при аппроксимирующей функции заменяется определением параметров элементов эквивалентной схемы макромодели [28].

При синтезе структуры макромодели полную схему устройства делят на части (каскады), слабо связанные друг с другом [29]. Выделение каскадов упрощает структуру макромодели, делает ее более понятной и допускает сравнительно простую структурную модификацию макромодели. Разбиение на каскады выполняется таким образом, что каждый каскад выполняет какую-либо функцию, которая может моделироваться дифференциальным (алгебраическим) уравнением относительно простой структуры или несложной эквивалентной схемой. Дискретизация макромодели часто осуществляется не только по структуре, но и по области работы, т. е. для различных диапазонов изменения входных воздействий макромодель может иметь разную структуру.

Один из способов построения макромодели состоит в том, чтобы, сохранив особенности схемотехнического построения интегральной схемы, исключить максимально возможное число элементов из полной эквивалентной схемы, оставив только самые существенные. При этом предполагается, что поведение макромодели будет с заданной точностью соответствовать поведению моделируемой схемы [21]. Возможность подобного упрощения вытекает из того, что любое радиоэлектронное устройство принципиально может быть реализовано достаточно просто. Усложнение структуры интегральной схемы, увеличение ее избыточности по числу компонентов связано с необходимостью компенсации отклонений их характеристик от идеальных. Чтобы выявить, влиянием каких компонентов на соответствующую выходную характеристику можно пренебречь, проводят расчет чувствительности выходных характеристик к параметрам компонентов либо производят поочередную замену каждого компонента короткозамкнутой или разомкнутой ветвью. Если изменение реакции схемы лежит в заданных пределах, то соответствующий компонент исключается.

Принцип подобия при построении макромодели заключается в замене исходной схемы совокупностью идеальных элементов (источники тока, напряжения, сопротивления, емкости), моделирующих основную характеристику схемы [30]. В основе моделирования при использовании принципа подобия лежат особенности конфигурации современных аналоговых интегральных схем (полупроводниковых в большей степени). Такое моделирование также облегчает анализ каждого каскада интегральной схемы с обратной связью, характеристики, которых в значительной степени определяются цепями обратной связи (структурой и параметрами).

Таким образом, макромодель, состоящая из небольшого числа идеальных элементов, имеет характеристики, близкие к характеристикам моделируемой схемы. Если различие между ними слишком велико, в макромодель можно добавить элементы, отражающие имеющуюся в реальной схеме неидеальность характеристик. Так, можно учесть конечные входные и выходные сопротивления, частотно-зависимые составляющие передаточных функций. Влияние нескольких факторов на выходную характеристику часто можно приближенно заменить влиянием одного суммарного воздействия. Например, в полной эквивалентной схеме частотно-компенсированного операционного усилителя число постоянных времени близко к числу емкостей, однако с достаточной точностью динамические свойства такой интегральной схемы определяются однополосной функцией частоты, т. е. одной ЯС-цепью [31].

Эффективность макромоделей существенно повышается, если набор базовых моделей программы анализа отражает специфику моделируемых схем, адаптируется к применяемой элементной базе [32]. В качестве базовых моделей для аналоговых схем удобно выбирать модели источников тока, моделирующих в первом приближении дифференциальный каскад — основную ячейку аналоговых интегральных схем, отражатель тока, схему с общим эмиттером и др. Макромодели типовых структур целесообразно заносить в словарь макромоделей и активно пользоваться им при разработке новых макромоделей интегральных схем. Формирование набора базовых моделей, ориентированных на аналоговые интегральные схемы, следует производить с учетом характерных особенностей типовых каскадов.

В первом приближении базовые модели должны быть «идеальными каскадами», т. е. выполнять функции каскадов при минимальной сложности структуры. Инерционные свойства каскадов аналоговых интегральных схем в значительной степени определяются паразитными емкостями. Это позволяет делать базовые модели статическими, а инерционные свойства учитывать, вводя внешние емкости.

Завершающим этапом разработки макромодели является расчет параметров элементов, входящих в эквивалентную схему. Расчет производится из условия минимальной погрешности моделирования при применении макромодели в заданном диапазоне входных воздействий. Этот этап может выполняться с использованием программ параметрической оптимизации.

Необходимость в оптимизации точности макромоделей возникает при расчете элементов, составляющих эквивалентную схему, в случаях, когда эти параметры нельзя определить аналитическим путем. Оптимизация выполняется средствами системы автоматизации схемотехнического проектирования, т. е. программами параметрической оптимизации, входящими в состав комплекса. В качестве целевой функции используется отклонение выходных характеристик от заданных в рабочем диапазоне внешних воздействий. Затем определяется минимум целевой функции. Наиболее часто в качестве целевой функции используется среднеквадратическое относительное отклонение

4) или чебышевский критерий максимального относительного отклонения выходных характеристик

5) таХ1=1Д

Здесь Хэ — экспериментальное значение выходного параметра анализируемой схемы; Хт — расчетное значение выходного параметра; / — номер точки внешнего воздействия; N — число точек, отличающихся различным значением внешнего воздействия; (А — целевая функция.

В первом случае оптимизация может быть выполнена одним из вариантов детерминированных методов, во втором случае для достижения результата предпочтительнее использовать статистический метод вследствие многоэкстремального рельефа целевой функции. Так как использование статистических методов оптимизации связано со значительными затратами времени, при приближении к оптимуму в ряде случаев целесообразно перейти к детерминированному методу. Если в результате оптимизации требуемое соответствие характеристик макромодели и интегральной схемы не достигается, после анализа причин проводится корректировка структуры исходной эквивалентной схемы макромодели и повторение процесса оптимизации точности.

Недостатком макромоделей, для которых требуется оптимизация точности, является ограниченная область их применения, так как полученные в результате оптимизации значения параметров соответствуют лишь условиям, в которых был получен набор экспериментальных точек.

С оценкой точности (погрешности) макромодели тесно связаны критерии эффективности макромоделей. Существует большое число определений эффективности работы устройств и процессов — в зависимости от формулировки цели процесса или работы устройства [33]. В общем случае под эффективностью систем понимается отношение полезного результата их функционирования к необходимым затратам.

Теоретически подход состоит в теоретическом исследовании алгоритмов макромодели, целью которого является выявление основных факторов, влияющих на данный показатель эффективности, и установление функциональной зависимости показателя эффективности от этих факторов.

Экспериментально-детерминированный подход заключается в экспериментальном определении значений показателя эффективности для испытываемой макромодели на ограниченном числе заранее установленных тестовых схем, которые отражают характерные особенности того или иного достаточно широкого класса схем и различаются значениями воздействующих факторов. Для сравнения макромоделей в одинаковых условиях необходима унификация тестовых схем. При наличии строго регламентированного состава тестовых схем экспериментально-детерминированный подход наиболее просто реализуется на практике. Однако получаемые оценки носят частный характер. Этот подход в настоящее время является основным при оценке точности программ и математических моделей компонентов либо элементов интегральных схем [34].

Применение экспериментально-статистического подхода основано на статистической обработке результатов эксплуатации макромоделей. Результаты этого подхода могут быть получены только по истечении значительного срока работы с макромоделями и поэтому могут рассматриваться лишь как полезное дополнение к результатам использования других подходов.

Полезным результатом функционирования системы автоматизации схемотехнического проектирования с применением макромоделей является информация о поведении исследуемой схемы, которая тем больше, чем выше точность (ниже погрешность) макромодели. Необходимыми затратами для получения результата являются машинное время ЭВМ и затраты оперативной памяти — вычислительные затраты.

Тогда показатель эффективности макромодели формулируется как отношение

П = Ивм. (6) ссТ+Рр К } где £мм — относительная точность макромодели; а, /? — весовые коэффициенты; Т — затраты машинного времени для работы макромодели; р — затраты оперативной памяти.

Другими словами, чем точнее макромодель и чем меньше вычислительные затраты, тем эффективнее использование макромодели, показатель(б) является эмпирическим.

Цель исследования:

Целью диссертационной работы является создание методов прогнозирования функциональной реакции аналоговой микроэлектроники на импульсное радиационное воздействие с использованием автоматизированного макромоделирования. Задачи работы: исследование возможности создания сопряженных с автоматизированной измерительной системой макромоделей аналоговой микроэлектроники; разработка автоматизированной измерительной системы, адаптированной к условиям радиационного эксперимента;

- разработка методов прогнозирования функциональной реакции аналоговой микроэлектроники на импульсное радиационное воздействие с использованием автоматизированного макромоделирования;

- экспериментальное исследование радиационного воздействия на аналоговые микросхемы;

- реализация методов макромоделирования в условиях проведения радиационного эксперимента с импульсными полями ионизирующего излучения.

Методы исследования:

Методы радиофизических измерений, принципы построения измерительных систем, полупроводниковая электроника, схемотехника, математическое моделирование, методы статистической радиофизики, методы экспериментального исследования при воздействии ионизирующего излучения.

Научная новизна:

1. Предложен метод построения макромодели исследуемого объекта, который позволяет прогнозировать функциональную реакцию на импульсное радиационное воздействие.

2. Обоснованы и разработаны конфигурация автоматизированной измерительной системы для анализа аналоговых электронных схем и алгоритмы управления измерительным оборудованием в составе автоматизированной измерительной системы.

3. Синтезированы буферные устройства для наращивания мощности аппаратно-программного комплекса, адаптеры сопряжения источников питания аппаратно-программного комплекса.

4. Проведено экспериментальное исследование воздействия ионизирующего излучения на микросхемы операционных усилителей с использованием автоматизированной измерительной системы.

Научная и практическая значимость:

1. Разработанная аппаратно-интегрированная модель передаточных функций может использоваться для анализа и синтеза радиоэлектронных систем, стойких к радиационному воздействию.

2. При ограниченных возможностях экспериментальной базы применение метода макромоделирования дает возможность прогнозировать функциональную реакцию аналоговой микроэлектроники на импульсное радиационное воздействие с большими параметрами нагружения. Полученные данные являются исходной информацией для работы по оптимизации исследуемых характеристик.

3. Применение автоматизированной измерительной системы, использующей макромодели может стать перспективным направлением в исследовании, анализе и синтезе изделий радиоэлектронной аппаратуры.

На защиту выносятся:

1. Метод построения макромодели интегральных микросхем для прогнозирования реакции аналоговой микроэлектроники на внешнее дестабилизирующее воздействие.

2. Конфигурация автоматизированной измерительной системы, адаптированной для получения данных, необходимых при построении макромодели исследуемого объекта.

3. Алгоритм, обеспечивающий реализацию метода макромоделирования в автоматизированной системе.

4. Экспериментальные исследования применимости макромоделирования для прогнозирования радиационной реакции микросхем операционных усилителей.

Вклад автора:

- предложены и экспериментально проверены алгоритмы построения макромодели изделий микроэлектроники;

- разработана автоматизированная измерительная система для исследования радиационной реакции радиоэлектронной аппаратуры;

- обоснованы и экспериментально доказаны способы прогнозирования функциональной реакции аналоговой микроэлектроники на импульсное радиационное воздействие;

- проведен цикл экспериментальных исследований по оценке влияния ионизирующего излучения на аналоговые устройства.

Публикации, апробации на конференциях, использование.

По результатам работы опубликованы 6 статей в центральных рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК; опубликованы материалы доклада в Трудах научных конференций по радиофизике в ННГУ им. Н.И. Лобачевского; опубликованы материалы в сборнике докладов конференции Волжского регионального центра РАРАН; опубликованы материалы в Трудах международной конференции «Харитоновские чтения».

Результаты исследований доложены на конференции по радиофизике в ННГУ (2006 г.), на международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии - ИСТ-2008», на конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» в г. Сарове (2009 г.), на XII международной научной конференции по проблемам физики высоких плотностей энергии «Харитоновские чтения» в Сарове (2010 г.).

Результаты работы использованы в научно-исследовательских работах «Автоматика-Гибрид», «Измеритель», «Момент», «Комплекс» во ФГУП ФНПЦ "Научно-исследовательском институте измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" г. Н. Новгород.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Лукичев, Алексей Николаевич

3.3 Выводы к Главе III

1. На базе разработанного алгоритма предложен вариант программы Масготос1е1, позволяющий производить прогнозирование амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) для нелинейной схемы радиоэлектронной аппаратуры, в которой под действием ионизирующего излучения или электромагнитного излучения ядерного взрыва генерируются переходные процессы е контрольных точках. Применение аппарата линейного преобразования Фурье для описания нелинейных схем позволяет восстановить передаточную характеристику вида у = ^какхк не только по экспериментальному набору тестовых лабораторных импульсов ионизирующего излучения или электромагнитного излучения, генерируемых на моделирующих установках, но и прогнозировать на уровень воздействия, не достижимый на моделирующей установке.

2. Построенная макромодель для прогнозирования отклика электрической цепи на внешнее дестабилизирующее воздействие, использованная при работе с импульсным рентгеновским аппаратом «Аргумент-1000», позволила прогнозировать реакцию цепей на внешнее воздействие.

3. Проведенные экспериментальные исследования на созданной автоматизированной измерительной системе показали, что в результате воздействия облучения происходит увеличение собственных шумов операционного усилителя, уменьшение нагрузочной способности ОУ, уменьшение коэффициента усиления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сделать ряд выводов и предложений по обеспечению реализации автоматизированной измерительной системы при построении макромодели для прогнозирования функциональной реакции аналоговой микроэлектроники на импульсное радиационное воздействие.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. В рамках задачи по исследованию возможности создания макромоделей аналоговой микроэлектроники и разработке методов прогнозирования функциональной реакции аналоговой микроэлектроники на радиационное воздействие с использованием автоматизированного макромоделирования:

- Предложена и обоснована новая методика прогнозирования реакции облучаемых образцов радиоэлектронной аппаратуры на действие ионизирующего излучения и переходных процессов от электромагнитного излучения ядерного взрыва для случаев, когда параметры полей облучений прогнозируемой ситуации не воспроизводятся в лабораторных условиях. Методика основана на облучении исследуемых объектов тестовыми лабораторными импульсами, с формой, отличной от прогнозируемой.

- Предложена макромодель и разработано программное обеспечение «Масготос1е1» для получения характеристик аналоговой интегральной микросхемы, обеспечивающие автоматизированный процесс получения и обработки входной информации.

- На базе разработанного алгоритма предложен вариант программы Масгошоёе1, позволяющий производить прогнозирование амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) для нелинейной схемы радиоэлектронной аппаратуры, в которой под действием ионизирующего излучения или электромагнитного излучения ядерного взрыва генерируются переходные процессы в контрольных точках.

Применение аппарата линейного преобразования Фурье для описания нелинейных схем позволяет восстановить передаточную характеристику вида у = Ик акхк не только по экспериментальному набору тестовых лабораторных импульсов ионизирующего излучения или электромагнитного излучения, генерируемых на моделирующих установках, но и прогнозировать на уровень воздействия, не достижимый на моделирующей установке.

2. В рамках задачи по разработке автоматизированной измерительной системы:

- Обоснованы принцип построения и конфигурация автоматизированной измерительной системы, позволяющие проводить исследования изделий радиоэлектронной аппаратуры различных по своему функциональному назначению. Благодаря использованию универсальной архитектуры автоматизированной измерительной системы можно наращивать банк измерительных приборов без внесения изменений в конфигурацию.

- Разработаны алгоритмы управления измерительным оборудованием, которые позволили существенно упростить процедуру управления измерительным оборудованием.

- Реализованная автоматизированная измерительная система позволяет исследовать динамические характеристики радиоэлектронной аппаратуры за короткое время при испытаниях на радиационную стойкость, что немаловажно при высокой стоимости проводимых испытаний.

- Благодаря автоматизированной измерительной системе, существенно возросла информативность результатов испытаний, повысились качество и объем данных, получаемых об исследуемом объекте.

- Сравнение измерительной системы National Instruments с разработанной автоматизированной измерительной системой показало, что предложенная система, является экономически более выгодной и воспроизводимой.

3. В рамках задачи по экспериментальному исследованию радиационного воздействия на аналоговые микросхемы с использованием автоматизированной измерительной системы:

Результаты выполненной работы позволяют рекомендовать применение автоматизированной измерительной системы как базовый инструмент при исследованиях изделий радиоэлектронной аппаратуры на радиационное воздействие.

Построенная макромодель для прогнозирования отклика электрической цепи на внешнее дестабилизирующее воздействие, использованная при работе с импульсным рентгеновским аппаратом «Аргумент-1000», позволила прогнозировать реакцию цепей на внешнее воздействие.

- Проведенные экспериментальные исследования на реализованной автоматизированной измерительной системе показали возможности прогнозирования степени увеличения собственных шумов операционного усилителя, уменьшения нагрузочной способности ОУ, уменьшения коэффициента усиления, уменьшения быстродействия облученного усилителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лукичев, Алексей Николаевич, 2012 год

1. Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры связи. - М.: Радио и связь, 1983. - 216 с.

2. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1989. -256 с.

3. Харт X. Введение в измерительную технику. М.: Мир, 1999. - 390 с.

4. Новиков Ю.В., Калашников O.A. "Разработка устройств сопряжения для ПК типа IBM PC" М.: ЭКОМ, 1997г. - 224 с.

5. Питомиц E.H. Информационная измерительная управляющая система при комплексных испытаниях сложных технических систем. // Автоматизация в промышленности, 2008, №12, с. 13-15.

6. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. М.: Энергоатомиздат, 1985

7. Кузьмичев Д.А., Радкевич И.А., Смирнов А.Д. Автоматизация экспериментальных исследований. М.: Наука, 1983.

8. Баженов А. // Мир компьютерной автоматизации, 2000, №1, с. 48-60.

9. Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г.И. Кавалерова. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации и систем управления, 1981.

10. Науман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники. М.: Мир, 1982 г. - 304 с.

11. Хазанов Б.И. Интерфейсы измерительных систем. М.: Энергия, 1979.

12. Ширшев Л.Г. Ионизирующие излучения и электроника. М.: Сов.радио, 1969.- 191 с.

13. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И.Радиационные эффекты в КМОП ИС.- М.: Радио и связь, 1994. 164 с.

14. Вавилов B.C., Ухии H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. -М.: Атомиздат, 1969.- 311 с.

15. Вавилов B.C., Кекелидзе Н.П., Смирнов JI.C. Действие излучений на полупроводники. М.: Наука, 1988. - 192 с.

16. Бутин В.И., Зинченко В.Ф., Романенко A.A. Система радиационных испытаний изделий электронной техники: Моногр./Владим. Гос. ун-т Владимир, 2003.- 188 с.

17. Гонтарь В.В., Чумаков А.И., Шаховский В.В. Расчетные модели по оценке внутренней радиационной обстановки от факторов космического пространства // В сб.: Радиационная стойкость электронных систем "Стойкость-2003". M.: МИФИ, 2003, вып.6, с. 185-186.

18. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. М.: Наука и техника, 1986. - 254 с.

19. Агаханян Т.М. Моделирование радиационных эффектов в интегральных микросхемах // Микроэлектроника, 2004, том.ЗЗ, №2, с.85-90.

20. Бененсон З.М., Елистратов М.Р., Ильин JI.K. и др. Макромоделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1981.-272 с.

21. Алексеенко А.Г., Зуев Б.И., Ламекин В.Ф., Романов И.А. Макромоделирование аналоговых интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1983.-248 с.

22. Архангельский А .Я., Светцов C.B. Методика синтеза электрических макромоделей логических микросхем среднего и большого уровней интеграции // В сб. Автоматизация проектирования в электронике, Киев, Техника, 1980, №22, с. 64-67.

23. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.А. Математические модели элементов интегральной электроники. -М.: «Сов.радио», 1976.

24. Глориозов Е.Л., Ссорин В.Г., Сыпчук П.П. Введение в автоматизацию схемотехнического проектирования. М., «Сов.радио», 1976. 224 с.

25. Меркушева А.В. Аналитические формы обработки сигналов в информационно-измерительных системах на основе обобщенной модификации преобразования Фурье. // Научное приборостроение, 2005, №4, с.3-17.

26. Големинов Д.Н. Автоматизация проектирования аналоговых цепей высокоскоростных измерительных систем. // Технологии приборостроения, 2005, №4, с. 37-42.

27. Пуйда С.К., Горбань А.Н. Расчетные макромодели диода и транзистора для программ анализа нелинейных электронных схем в динамическом режиме. // Сложные системы и процессы, 2005, №2, с.57-61.

28. Шумков Д.С., Сидоркина И.Г. Метод прогнозирования временных рядов с использованием кусочно-линейной аппроксимации // Вестник Чувашского университета, 2008, №2, с.199-203.

29. Рогаткин Ю.Б. Макромодель операционного усилителя с токовым выходом. // Микроэлектроника, 2007, том.36, №4, с.255-260.

30. Калахан Д. Методы машинного расчета электронных схем: Пер. с англ./ Под ред. Сирвидса С.И. М.: Мир, 1970.

31. Агаханян Т.М., Никифоров А.Ю. Прогнозирование эффектов воздействия импульсного ионизирующего излучения на операционные усилители. Микроэлектроника, 2002, том 31, №6, с.441-451.

32. Ильин В.Н. Основы автоматизации схемотехнического проектирования. М., Энергия, 1979. - 391 с.

33. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем: Пер. с англ. М.: Энергия, 1980.

34. Бармаков Ю.Н., Гольденберг А.Э., Чахмахсазян Е.А. Машинный анализ интегральных схем. М.: Сов.радио, 1974.

35. Александрова М.Г., Белянин А.Н., Брюкнер В. и др. Расчет электрических цепей и электромагнитных полей на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1983.-344 с.

36. Беляков В.В., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., и др. Расчётно-экспериментальиые методы прогнозирования эффектов одиночных сбоев в элементах современной микроэлектроники //Микроэлектроника, 2003, т. 32, №2, с. 134-151.

37. Калабеков Б.А. и др. Методы автоматизированного расчета электронных схем в технике связи: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь,1990.-272 с.

38. Коршунов Ф.П. и др. Метод прогнозирования радиационной стойкости КМОП интегральных схем. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2009, №1, с.45-49.

39. Программные средства вычислительной техники. Толковый терминологический словарь-справочник. М.: Изд-во стандартов, 1990. С. 21.

40. Паронджанов В. Д. Как улучшить работу ума: Алгоритмы без программистов — это очень просто! — М.: Дело, 2001. — 360 с.

41. ГОСТ19.701-90. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. М.: Изд-во стандартов,1991.

42. Культин Н.Б. Delphi 6. Программирование на ObjektPascal. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 528 с.

43. Бобровсий С. Delphi 5. Учебный курс. Санкт-Петербург: Пионер, 2000. -638 с.

44. Гутников B.C. "Интегральная электроника в измерительных устройствах" Л.: Энергоатомиздат, 1988 г. - 304 с.

45. Анашин B.C. Обеспечение стойкости РЭА космических аппаратов к естественным ионизирующим излучениям космического пространства. // Петербургский журнал электроники, 2008, №1, с.55-57.

46. Беляков В.В., Першенков B.C., Зебрев Г.И., и др. Методы прогнозирования эффектов полной дозы в элементах современной микроэлектроники //Микроэлектроника, 2003, т. 32, № 1, с. 31-46.

47. Кочкаров A.A., Салпагарова А.Р., Хапаева JI.X. Стойкость технических систем: моделирование распространения внешних воздействий по структуре сложной системы. // Известия Южного федерального университета. Технические науки, 2009, №5, том.94, с.228-234.

48. Агаханян Т.М. Схемотехнические способы повышения радиационной стойкости электронных усилителей на аналоговых интегральных микросхемах. Микроэлектроника, 2004, том.ЗЗ, №3, с.225-232.

49. Коршунов Ф.П, Гатальский Г.В, Иванов Г.М. Радиационные эффекты в элементах интегральных микросхемах. -М. Энергоатомиздат, 1989.- 256 с.

50. Вавилов B.C., Горин Б.М., Данилин Н.С. и др. Радиационные методы в твердотельной электронике. М.: Радио и связь, 1990. - 184с.

51. Першенков B.C., Попов В.А., Шальнов A.B. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем.-М. Энергоатомиздат, 1988. 256с.

52. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.

53. Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные ИС: Руководство по анализу и расчету: Пер. с англ. М.: Мир, 1992. - 560 с.

54. Зверев В.А., Стромков A.A. Выделение сигналов из помех численными методами. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2001. - 188 с.55. http://www.labview.ru56. http://www.ni.com

55. Завьялов Н.В., Канунов И.М., Полиенко Г.А., Хорошайло Е.С. Переносные импульсные рентгеновские аппараты «Аргумент-700» и

56. Аргумент-1000» с газовой изоляцией высоковольтных блоков // В сб.: Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Вып. 10. 2006. с.80-87.

57. Костылев A.A., Миляев П.В. "Статистическая обработка результатов экспериментов на микро-ЭВМ и программированных калькуляторах" -JL: Энергоатомиздат, 1991 г. 304 с.

58. Эйдукас Д.Ю., Орлов Б.В. "Измерение параметров цифровых интегральных микросхем" М.: Радио и связь, 1982 г. - 368 с.

59. Гуткин Л. С. Проектирование радиосистем и радиоустройств: Учеб.пос. для вузов. М.: Радио и связь, 1986.

60. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. вузов/Под ред. Винокурова В.И. -М.: Высш. шк., 1986. 351 с.

61. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1975. 768 с.

62. Денисенко В.В. Повышение точности путем многократных измерений. Часть 1. // Современные технологии автоматизации, 2009, №4, с.96-99.

63. Денисенко В.В. Повышение точности путем многократных измерений. Часть 2. // Современные технологии автоматизации, 2010, №1, с.98-101.

64. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов 2-е изд., исправ. - М.: Горячая линия -Телеком, 2001. - 320 с.

65. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 448 с.

66. Першин В.Т. Основы радиоэлектроники: учеб. пособие. Мн.: Выш. шк., 206.-399 с.

67. Шехурин Д.Е. Научное прогнозирование средствами информации. С.-Пб., 1990.- 123с.

68. Косолапов В.В. Информационное прогнозирование и обеспечение.- К., 1978. -198 с.

69. Зенкин А.И. О математических методах прогнозирования. М, 1987. -90с.

70. Баранов В.А. Общие вопросы методологии и научного прогнозирования. -X, 1992. -230 с.

71. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. М., Мир, 1972.-381 с.

72. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. -М.: Мир, 2003.

73. Шило В.М. Линейные интегральные схемы. М.: Сов.радио, 1974.

74. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. М.: Высш. шк., 1987. - 416 с.

75. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Пер. с 4-го изд. Гусева A.A. и Пахнева A.B.: под ред. Гусева А.А.-М.: Наука, 1978. 792с.

76. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990.-688 с.

77. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. 2-е перераб. И доп. Изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с.

78. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер. с англ. 2-е перераб. И доп. Изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с.

79. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том 1: Пер. с нем. М. ДМК Пресс, 2008. - 832 с.

80. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том 2: Пер. с нем. М. ДМК Пресс, 2007. - 942 с.

81. Ватанабэ М. и др. Проектирование СБИС. М.: Мир, 1988. - 304 с.

82. Абрамян Е. А. Промышленные ускорители электронов. -М.:Энергоатомиздат, 1986.

83. Аствацатурьян Е.Р., Голотюк О.Н., Попов Ю.А. и др. Проектирование электронных схем с учетом радиационных воздействий. М.: МИФИ, 1984.-76 с.

84. Окунь Л.Б.Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1988.

85. Бурцев В. А. и др. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках.- М.:Энергоатомиздат, 1990.

86. Конев Ю.И. и др. Микроэлектронные электросистемы.- М.: Радио и связь, 1987.-240 с.

87. Ланнэ A.A. Оптимальный синтез линейных электронных схем. М.: Связь, 1978.-235 с.

88. Кудрицкий В.Д., Синица М.А., Чинаев П.И. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры. М., «Сов.радио», 1977. - 256 с.

89. Киргизова A.B., Скоробогатов П.К., Никифоров А.Ю. и др. Моделирование ионизационной реакции элементов КМОП КНС микросхем при импульсном ионизирующем воздействии // Микроэлектроника, 2008, том.37, №1, с.28-44.

90. Лебедев A.A., Пилипенко А.Н. Моделирование радиационно-чувствительных характеристик проектируемых двухканальных операционных усилителей с помощью программы PSPICE // В сб.: Вопросы атомной науки и техники. М.: ФГУП «НИИП», 2009, вып.2, с.34-39.

91. Харитонов П.А., Малков С.Ю., Гончаров В.В. и др. Модель операционного усилителя для оценки его стойкости к воздействию гамма-излучения // В сб.: Вопросы атомной науки и техники. М.: ФГУП «НИИП», 2009, вып.4, с.49-51.

92. Сайчев В.П., Ефимов B.C., Осокин A.B., Лукичев А.Н. Разработка системы автоматизированного контроля радиационно-стойких изделий гибридной микроэлектроники. // Конверсия в машиностроении, 2004, №4, с.42-46.

93. Сайчев В.П., Ефимов B.C., Осокин A.B., Лукичев А.Н. Некоторые вопросы проектирования автоматизированной системы контроля изделий микроэлектроники. // Конверсия в машиностроении, 2004, №4, с.46-49.

94. Сайчев В.П., Ефимов B.C., Осокин A.B. К вопросу автоматизации контроля специальных изделий микроэлектроники. // Конверсия в машиностроении, 2003, №2, с.66-68.

95. Сайчев В.П., Ефимов B.C., Лукичев А.Н., Стройкова A.B. Применение автоматизированного измерительного комплекса при разработке радиационно-стойких изделий гибридной микроэлектроники.// Конверсия в машиностроении, 2005, №6, с.63-66.

96. Лукичев А.Н. Исследование особенностей работы операционных усилителей 744УД2-1 в составе микроузла для датчиков физических величин. // В. кн.: Тр. 10-й научн. конф. по радиофизике, ННГУ, 2006.

97. Орлов И Я., Ефимов B.C., Лукичев А.Н. Автоматизированная измерительная система для исследования характеристик интегральных микросхем. // Датчики и системы, 2008, №3, с.38-41.

98. Лукичев А.Н. Измерительный комплекс для контроля электронных компонентов. // Информационные системы и технологии, 2008, с.45-46.

99. Киселев В.К., Ефимов B.C., Лукичёв А.Н. Автоматизированная измерительная система для исследований радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем// Информационно-измерительные и управляющие системы,2009, № 5, с. 108-112.

100. Лукичев А.Н. Применение автоматизированной измерительной системы при исследовании операционных усилителей // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Радиофизика, 2009, №6, с.86-89.