测试系统方案设计优化建议

通过以上两种测试方法的比较分析后，由于非破坏性测试系统要在破坏性测试系统的基础上加试验样品保护电阻、电流脉冲变换器、快速计数器、纳秒级脉冲监视器，测试系统结构较为复杂。在测试系统设计中，一般地说，首先采用破坏性测试方法验证器件单粒子烧毁现象，利用示波器捕捉发生单粒子烧毁时的电流脉冲，对脉冲的特点进行分析研究。在此基础上，对非破坏性测试系统进行方案设计。非破坏性测试系统的主要技术指标和要求为：第一，能够解决控制信号与电源线之间屏蔽的问题；第二，DUT与测试系统之间要求10 m距离，测试系统与远程控制监视记录器要求有50 m以上的距离，这样的要求主要是便于在重离子加速器上完成相关的试验。第三，为方便试验，测试系统要求有多个接口，一次可以进行数个样品的辐照试验，并且能够现场用软件改变各个电压信号。

功率MOSFET器件辐射效应测试的有关电参数具有幅值变化大、脉宽小等特点，信号的取样点在电源与漏极之间。在漏源关闭和导通时与地之间存在着较大的差压等特点。设计系统时可以采用隔离技术，每一个环节由独立的模块完成。具体如下：

（1）考虑到测试系统的应用环境是在真空中进行，在DUT板上一次可插接10个MOSFET。由10个继电器进行切换，进行测试的10个MOSFET可通过上位计算机选择。

（2）为了测试栅源电压与单粒子效应的关系，由一个独立的12位D/A转换器提供0～10 V的程控电压源，根据测试情况可通过上位计算机控制其电压大小。

（3）对于漏源电流和漏源电压，由于辐射效应产生的脉冲电流通过电源与漏极之间的负载电阻获得。在检测脉冲电流时为了保证可靠记录窄脉冲的出现，系统中加入脉冲展宽电路，对由辐射效应形成的脉冲进行限幅等处理，以保护测试系统。

（4）系统中为了获取不同幅值的脉冲电压，由一路16位的D/A转换器输出的模拟信号与脉冲信号通过差模运算放大器输出，作为脉冲计数信号。这样系统不但可测试电磁效应时产生的脉冲电流，还可以设置不同的阈值电压获得不同幅值的脉冲信号。

（5）对于辐射效应产生的脉冲电流通过电流电压转换电路将电流转换成电压信号，通过12位的A/D转换单元进行检测。

为了满足测试系统对测试参数的处理分析，通过一台微型计算机对测试环节产生的参数进行处理、保存。计算机通过串行通信方式获取测试环节产生的数据。系统中采用RS-485通信方式，通信距离可达1 200 m。

系统软件采用Visual Basic 6.0设计，为用户提供方便的操作界面，系统不但可实时采集测试数据，系统还能够对历史数据进行浏览、图形显示等。测试系统框图如图4-35所示。

图4-35　测试系统框图

（一）系统基本组成

测试系统由DUT板、航空插头接口、继电器单元、栅源程控电源、继电器切换控制单元、电源检测A/D转换器、信号变换器、脉冲计数器、通信接口和上位计算机等组成。测试系统基本组成原理框图如图4-36所示。

栅源D/A转换单元提供栅源电压，可通过上位计算机根据试验要求设定。漏源电压通过A/D转换器进行检测，漏源电压由仪表后面板的接线柱接入。继电器由开关输出量信号通过上位机软件控制，用于接通被测试的MOSFET。信号处理单元主要完成对脉冲信号幅值的限幅、展宽等处理。考虑到脉冲信号源存在较大的共模电压信号，系统中选用一片高共模运算放大器进行信号处理，采用脉冲展宽电路对其脉冲宽度展宽，为脉冲计数单元提供可靠的计数信号。

图4-36　测试系统原理框图

动态测试器根据上位机的命令完成所有测试过程及相应的控制。系统的工作过程为：安装硬件→检查连线是否正确→启动测试软件→在“文件”菜单中选择“新建”命令，输入保存数据的文件名→在工具菜单中可完成对ADAM模块设置、下位机检测、通信检测等环节验证→在测试界面中通过单击“测试器件选择框”中的选择按钮选中被试器件→在测试界面中设定栅源电压→单击启动测试按钮可对被试器件进行测试→在测试时脉冲计数信号框中显示捕捉到的单粒子辐射效应脉冲信号的数目→在相关参数栏中可显示被试器件的漏源电压、漏源电流值→在测试图形中可对脉冲计数、漏源电压、漏源电流、栅源电压等被测参数的值以图形方式显示→在数据菜单中可对被试器件的数据进行浏览、打印、图形浏览、图形打印。

在通信上采用主从式RS-485串行通信方式，上位机可根据测试要求向下位测试单元发出发送、接收命令或测试命令，下位机根据接收到的命令接收数据、发送数据或数据采集。由于本系统中主机和下位测试单元距离1 200 m左右，上位计算机选用MOXA通信接口模板。上位机可根据系统应用的具体情况通过系统参数合理地配置系统软件。

脉冲计数技术的准确实现是测试系统的主要功能，测试过程要求对非破坏性电流脉冲计数实现准确记录，一般来说，系统设计中应采用较高精度的噪声滤波设计，如可编程噪声过滤器，这样一来，测试过程中系统抗干扰能力强，只有在系统本身的电源开关动作中引入计数误差。由于试验过程中，重离子照射时间一般选择十几分钟完成一次数据获取，因而可以认为系统无外界噪声引入的计数误差。

在测试系统研制过程中，一般需要进行测试系统调试及优化设计，可以利用锎源单粒子效应测试系统进行调试试验，对烧毁电流脉冲计数准确性进行验证分析，如当示波器捕捉到一个重离子诱发的电流脉冲时，系统同步实现一个脉冲计数。图4-37给出了一个脉冲计数对应的典型电流脉冲波形。

图4-37　2N6798器件典型单粒子烧毁波形

（二）系统功能及指标

MOSFET动态测试系统主要以广泛应用于开关电源的MOSFET器件作为主要测试对象。利用该测试系统，可以在地面模拟空间辐射环境下，研究MOSFET单粒子烧毁特性，也为器件的选型及其相关电子设备加固设计提供有用的数据和必要的参考依据。

1.系统实现的主要功能

（1）辐射环境下对脉冲电流的捕捉计数。

（2）系统栅源电压可通过计算机设定，范围为0～10 V。(www.xing528.com)

（3）被测MOSFET漏源电压可通过手动分段设定，电源电压最高为300 V。

（4）漏极限流电阻可分段设定。

（5）源漏电流监视和保护。

（6）系统软件能对被试器件的漏源电流、漏源电压、脉冲信号等参数进行实时检测。

（7）系统软件提供漏源电流、漏源电压、脉冲信号、栅源电压变化图形曲线的存储、浏览、打印等功能。

（8）系统软件能提供漏源电流、漏源电压、脉冲信号、栅源电压等参数的存储、浏览、打印等功能。

（9）系统能通过软件按钮对被试器件进行选择切换。

（10）MOSFET测试系统和监控计算机可进行串行通信，通信距离可达1 200 m。

（11）动态测试器与DUT板的距离≥3 m。

（12）能够同时测试10个MOSFET器件。

（13）能够实时动态显示MOSFET的测试数据和曲线。

（14）数据浏览查询：浏览查询已测MOSFET脉冲的概率分布、栅源电压与脉冲分布的关系、栅源电压与漏源电压、漏源电流的关系。

（15）打印：能够打印已测MOSFET的概率分布曲线、栅源电压与脉冲分布的关系曲线，栅源电压与漏源电压、漏源电流的关系曲线。

2.系统主要技术指标

（1）栅源电压单元：

A/D分辨率：12位；输出范围：0～10 V；隔离电压：3 000 V直流；输出阻抗：0.5 Ω；精度：电压输出±0.2%FSR；温漂：±30 μV/℃；满量程温度系数：±25 ppm/℃；可编程输出斜率：0.062 5～64.0 V/s。

（2）计数单元：

计数位数：32位；输入频率：50 kHz；逻辑0：最大+1 V；逻辑1：+3.5～+30 V；隔离电压：2 500 VRMS；输入脉冲宽度：1μs（经脉冲、展宽电路处理）。

（3）漏源电流检测单元：

有效分辨率：16位；输入范围：±20 mA；隔离电压：3 000 V直流；采样频率：10 Hz；精度：±0.05%；温漂：±6 μV/℃；满量程漂移：±25 ppm/℃；共模抑制比：@50/60 Hz为150 dB；差模抑制比：@50/60 Hz为100 dB。

（4）DUT单元：一次试验可完成10个MOSFET的测试。