OP07运算放大器电磁脉冲效应实验研究

冯寒亮，周　辉，石跃武，王　伟，相　辉，朱志臻

(西北核技术研究所，西安710024;强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)



OP07运算放大器电磁脉冲效应实验研究

冯寒亮，周辉，石跃武，王伟，相辉，朱志臻

(西北核技术研究所，西安710024;强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)

摘要：以BJT型OP07号运算放大器为研究对象，建立了一套适合集成运算放大器电磁脉冲损伤效应实验的系统和方法。通过方波脉冲直接注入，研究了电磁脉冲对运算放大器的瞬态干扰和损伤。观察OP07运放的实时工作状态，捕获到增益减小、直流输出、输出信号Y向偏移和输出信号波形失真四种典型的现象。

关键词：电磁脉冲；损伤效应；BJT；运算放大器

运算放大器是现代集成电路的重要组成部分。随着电磁环境的日益复杂化，运算放大器面临的电磁威胁也就越来越严重。因此，分析运算放大器的电磁脉冲效应，研究其对电磁脉冲的易损性，对提高信息化电子设备和系统的可靠性具有重要意义。国外从20世纪70年代就开始对集成电路的EMP损伤效应及阈值进行研究[1-2]。美国于1978年出版的《集成电路电磁敏感性手册》，涉及大量关于运算放大器射频干扰实验的数据。实验发现，被测的运算放大器对传导进输入端的射频干扰能量特别敏感[3]。Ruediger等研究发现，对于静电等产生的超短电压尖脉冲(10V, 100ns)会使741运算放大器电源线路或运放输出产生直接或间接的扰动[4]。Masetti等针对不同工艺的集成运算放大器，分析了电磁干扰敏感性与大信号运放特性之间的关系[5]。在国内，罗新华等研究认为，某些电应力的瞬态过载使电子元器件受到损伤[6]。吴生虎等认为，集成运算放大器的失效模式主要包括输入端过电应力失效、电源端烧毁失效、输出端过电应力失效和补偿端的烧毁失效[7]。林晓玲等研究表明，外来浪涌电压是运算放大器失效的根本原因[8]。

本文选取低噪声BJTDIP-8型OP07运算放大器，开展了不同脉宽、不同电压下的方波脉冲效应实验，获取并分析了电磁脉冲对OP07的瞬态干扰和损伤效应。

1实验原理与方法

运算放大器EMP损伤效应实验系统配置，如图1所示，主要设备包括脉冲注入源(方波源)、信号源、数字示波器、直流稳压电源、电压探头、电流环、基于“电压跟随器”的工作与测试电路、数据采集系统和计算机等。方波脉冲直接注入到运放的正相端，同时，利用注入钳将运放工作信号通过耦合注入的方式也注入到运放的正相端。系统输出端的示波器记录了运放在受到电磁脉冲干扰和损伤时的瞬时效应现象。在注入完成后，再次对运放功能进行检测，记录了被损伤的运放的工作输出现象。

脉冲注入实验步骤见图2。注入的方波脉宽分别为50，100，150，200，300，500，800ns和1μs，注入电压为100～600V。为避免累积效应，每个器件仅注入一次。

OP07工作电压为±15V，输入的工作信号为正弦波，工作频率为70kHz，信号峰-峰值为1V。实验中，由OP07构成的“电压跟随器”正常工作时，可实现电压信号幅度的输入、输出比为1∶1。

图1运算放大器EMP损伤效应实验系统示意图Fig.1EMP damage effects test system of the operational amplifier

图2 运算放大器脉冲注入实验步骤Fig.2Test procedure for operational amplifier by pulsed current injection

2效应现象与分析

实验发现，方波脉冲主要会对运放产生干扰或者损伤两大效应。

2.1方波脉冲对运放的干扰效应

OP07受到脉冲的瞬时干扰，即运放在正常工作过程中，正弦电压信号出现大幅度不规则的波动，经过一段短暂时间后又恢复正常，说明运放功能未丧失，见图3。OP07受到干扰时间长度约为10～20μs，远大于注入脉冲的宽度。注入完成后，对运放功能进行检测发现其能够正常工作，即输出信号仍为工作频率70kHz、峰-峰值为1V的正弦波。

图3方波脉冲对OP07的干扰Fig.3Square wave pulse interference on OP07

2.2方波脉冲对运放的损伤效应

2.2.1瞬时损伤现象

OP07受到脉冲的瞬时损伤，即注入脉冲的一瞬间，其工作正弦信号电压发生突变，迅速增大，随后又迅速降低，接着在-13V的电压值附近发生振荡，并逐渐稳定于-13V的负电压直流输出。此现象表明，运放工作信号在脉冲影响下，经过一段时间后未恢复正常，则可在一定程度上判断运放出现了损伤，已不能正常工作，即输出信号不再是工作频率70kHz、峰-峰值为1V的正弦波，如图4所示。这一实时监测结果，可用于辅助判断运放功能好坏、是否发生损伤，以作为损伤判断的事实支撑。但这一波形变化，仅仅体现的是方波注入瞬间运放的响应。运放是否完全损坏，需进一步通过检测其功能是否正常来判断。

图4方波脉冲对OP07的瞬时损伤Fig.4Square wave pulse transient damage on OP07

2.2.2功能损伤现象

对出现瞬时损伤现象的运放，重新加载工作信号，检测其工作状态，通常会出现四类效应现象：增益减小、直流输出、输出信号Y向偏移和输出信号波形失真。除直流输出效应现象外，其余三种效应现象在大部分情况下会同时出现。

1)增益减小

运放输出增益减小，即峰-峰值为1V正弦信号输入电压跟随器后，其输出信号的峰-峰值小于1V，如图5所示。这说明运放的输出性能降低。

图5增益减小Fig.5Gain attenuation

2)直流输出

运放受到致命损伤后，大部分情况下会出现无正弦信号输出，即一个约为-13V稳定直流电压输出，如图6所示。

图6无信号直流输出Fig.6No signal and DC output

3)Y向偏移

此类效应现象是运放的输出信号虽仍为正弦波，但发生了Y向偏移，如图7所示。实验发现，此类现象出现较多。

4)波形失真

出现瞬时损伤的运放，会出现不同程度的输出信号失真。这类失真信号波形包括失真正弦波、三角波和锯齿波等，如图8所示。

图7输出波形发生偏移Fig.7Shift of output waveform

图8非正弦波形输出Fig.8Output non-sine waveform

3结论

本实验通过脉冲电流注入方法，研究了电磁脉冲对OP07运放的瞬态干扰和损伤效应，记录了其在方波脉冲作用下的实时工作状态，捕获到干扰与损伤两大效应。其中，损伤效应现象可分为四类：增益减小、直流输出、输出信号Y向偏移和输出信号波形失真。除直流输出效应现象外，其余三种效应现象通常会同时出现。根据电路输出特性，结合实验中捕获的以上损伤效应，确定了本实验中OP07运放损伤判据，即待试器件出现以下现象中的一条可判定为损伤：1)增益减小大于10%；2)直流输出；3)输出信号波形发生Y向偏移超过10%；4)输出信号波形失真。该判据也可作为运放EMP损伤阈值评判条件。

目前尚未对运放EMP损伤效应成因，如运放损伤机理等进行研究，仅通过大量实验对损伤效应进行了研究分析。不同的损伤效应与运放的内部电路结构、封装形式等有很大关系，需进一步实验进行深入研究。故初步分析认为，方波脉冲对运放的干扰现象，与运放的转换速率有很大关系。这很可能是与运放内部电容充电过程的快慢有关[9-11]。运放出现损伤现象大多与热损伤模式有关，导致器件受热，最终引起开环增益、输入失调电压、转换速率、全功率带宽等电参数恶化[12-13]。

参考文献

[1]国防科学技术工业委员会.GJB538-88. 半导体器件电磁脉冲损伤阈值实验方法[S]. 北京, 1988. (TheCommissionofScienceTechnologyandIndustryforNationalDefense.GJB538-88.Testingmethodsforelectromagneticpulsedamagethresholdofsemiconductor[S].Beijing, 1988.)

[2]乔登江.集成电路电磁脉冲损伤阈值测定的试验方法[J]. 抗核加固, 1990, 7(3): 90-92.(QIAODeng-jiang.Electromagneticpulsedamagethresholdtestmethodofintegratedcircuit[J].KangHeJiaGu, 1990, 7(3): 90-92.)

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

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

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

[6]罗新华, 陆长华. 某型制导雷达部分元器件失效模式的分析[J]. 上海航天, 1998(4): 34-37.(LUOXin-hua,LUChang-hua.Failuremodesanalysisforelectronicelementsofsomeguidanceradar[J].AerospaceShanghai, 1998(4): 34-37.)

[7]吴生虎, 马秀丽. 集成运算放大器的使用可靠性[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 1998(2): 23-26.(WUSheng-hu,MAXiu-li.Applicationsreliabilityofintegratedoperationalamplifier[J].ElectronicProductReliabilityandEnvironmentalTesting, 1998(2): 23-26.)

[8]林晓玲, 章晓文. 运算放大器失效原因分析[C]// 第十四届全国可靠性物理学术讨论会. 苏州，2011.(LINXiao-ling,ZHANGXiao-wen.Operationalamplifier’sfailureanalysis[C]//The14thNationalSymposiumonReliabilityPhysics.Suzhou, 2011.)

[9]周宁华. 集成运算放大器及其在电子线路中的应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 1980.(ZHOUNing-hua.IntegratedOperationalAmplifierandItsApplicationinElectronicCircuit[M].Beijing:NationalDefenseIndustryPress, 1980.)

(下转第020801-7页)

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2016-03-28

作者简介：冯寒亮(1982- )，男，陕西宝鸡人，助理研究员，硕士，主要从事电磁脉冲效应研究。 E-mail:fenghanliang@nint.ac.cn

中图分类号：TM93

文献标志码：A

文章编号：2095-6223(2016)020601(4)

ExperimentalResearchontheEffectofElectromagneticPulseonOP07OperationalAmplifier

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

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

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

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