运算放大器类元器件板级应用验证装置设计_李进利.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术68|运算放大器类元器件板级应用验证装置设计李进利，侯天明，王小强兰州空间技术物理研究所二次电源事业部，甘肃兰州，730000摘要：随着电子元器件国产化需求日益强烈及国产元器件研发水平逐步提高，国产化电子元器件在不同领域的应用越来越广泛。针对国内新研运算放大器类电子元器件在武器、航空、航天等特殊行业领域的装备上装应用的困难现状，依据应用验证专项工程在元器件研制过程通过器件级验证、板级验证，充分暴露元器件的问题，挑选出符合上装要求的元器件。本文基于应用验证工程中运算放大器类板级验证需求，设计开发了运算放大器类板卡验证装置，全面覆盖了运算放大器验证技术指标，具有通用、高效、可靠的特点。关键词：国产化；应用验证；运算放大器；验证装置中图分类号:TP342文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.016 0引言近年来，我国电子设备及装备应用电子元器件国产化的发展日新月异，得益于电子元器件基础设施的发展和国家的大力投入，国内大部分生产厂家的研制技术发展迅速，涌现了一大批技术新颖的电子元器件。但是随着新的产品设备的性能和质量可靠性等要求的提高，产品设备研制单位和武器装备部门越来越重视元器件的性能和质量可靠性对设备性能和可靠性的影响，然而国产新研电子元器件缺乏新技术的积累和应用经验。为加快新研元器件在型号装备、设备上的应用进程，需要开展应用验证。本文借鉴宇航元器件应用验证系统工程方法实践与探索1文中验证系统工程方法，针对运算放大器上装应用需求，通过对板级验证通用方案的研究分析，明确了板级验证方法和内容要求，依据验证方法的要求，对运算放大器类电子元器件板级应用验证装置进行设计。1板级应用验证现状元器件应用验证工作逐渐被各个单位重视，应用验证工作已在各个领域展开，航天领域为最高实施应用验证，目前已经取得了一定的应用验证成果2。元器件的应用验证已经渗透在上装应用的基础筛选流程中。图1为元器件的应用验证流程。元器件应用验证需求分析元器件应用验证方案1、装备研制单位牵头、元器件厂家与元器件验证机构配合，完成应用验证方案编写；2、型号主管机关组织单位和专家进行评审元器件级应用验证元器件厂家和元器件检测机构对元器件功能、性能、特性曲线、极限测试、寿命试验、结构分析、空心国产化等进行分析；板级应用验证装备研制、元器件验证单位：通过型号用设备进行板卡应用验证分析，匹配设计用验证项目进行功能性能、环境适应性（热、电、力）可靠性进行验证。装备级示范验证装备研制单位：统筹规划装备级验证工作，对设备及应用验证补充验证应用验证结果评估1、型号主管单位组织专家对元器件应用验证效果进行评估；2、装备研制单位、应用验证单位负责应用验证结果评审材料。元器件应用验证成果技术支撑单位定期汇总应用验证成果，报送有关单位。图 1元器件应用验证流程图板级应用验证在整个应用验证中起到重要作用，设计开发板级验证装置能够充分有效地对元器件的上装应用的功能性能、极限、适应性等进行验证。板卡测试装置是板级应用验证工作者简介：李进利，男，本科，甘肃白银，助理工程师，研究方向：电子元器件、DC/DC 二次电源。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|69电子元器件与材料作的基础设备3-6，是元器件功能性能测试的重要平台。其测试的全面性、高效性和实际应用状态的模拟程度是设计的关键。2运算放大器应用验证2.1运算放大器应用需求分析运算放大器根据种类可划分为通用类、专用类等多种，根据不同的应用需求组合，又分为单通道、双通道、四通道等多种运放系列7-8。通过对其应用领域多种设备的设计情况调研，分析设备中运算放大器具有不可替代性和高可靠性的要求，主要关注运算放大器在三温（-40、25、70）情况下的动态功耗、压摆率、幅频特性、相频特性、加电顺序影响、输出建立时间、精度、温漂系数等性能指标，为了验证上述参数，设计了跟随器电路、反向放大电路、放大电路、加法器电路等典型应用电路来验证运算放大器的基本功能和性能参数。通过电源极限拉偏、温度极限拉偏、频率极限拉偏和输入信号极限拉偏等方式验证运算放大器的实际应用边界9，以满足上装应用要求。2.2运算放大器板级验证内容针对运算放大器在装备中的应用特性、应用验证需求，严格按照应用验证流程及方法，设计板级验证项目。验证项目包含板级功能性能、电气环境适应性、热学环境适应性。2.2.1板级功能性能板级功能性能主要验证运算放大器在各种应用电路中的基本功能及性能的指标是否满足上装应用需求。设计验证项目如表1所示。表 1板级功能性能验证项目项目验证类型基本功能性能一致性交流特性一致性功耗测试性能压摆率/关联特性一致性轨到轨一致性2.2.2电气环境适应性电气环境适应性验证主要验证运算放大器在典型应用电路中的应用边界，根据不同工况在三温条件下进行各项参数拉偏验证。设计验证项目如表2所示。表 2电气环境适应性验证项目项目验证类型电源拉偏特性适应性输出负载特性适应性加电顺序敏感性适应性建立时间响应2.2.3热学环境适应性热学环境适应性验证主要验证运算放大器在高低温循环下器件工作时各项参数是否正常，考验器件的热特性10。设计验证项目如表3所示。表 3热学环境适应性项目项目验证类型热循环试验热特性（-40-70）循环 3.5 次200 小时2.3验证装置需求分析验证装置除了能够满足上述验证项目需求外，考虑到运算放大器应用验证的典型应用电路较多、测试数据量较大、数据采集精度要求较高、器件类型较多的特性，验证装置需具有能够全面兼容单路运算放大器、双路运算放大器、四路运算放大器、高精运算放大器等运算放大器验证的能力，还应该具有多种典型电路自动切换、全自动/半自动测试、高精度数据采集等功能，满足验证项目快速高效、经济稳定进行。3应用验证装置设计3.1装置设计方案为了满足应用验证项目全面覆盖、快速经济高效的需求，在方案设计中采用了以下技术：一是采用母板加DUT板设计技术，二是数字化采样分析技术，三是自动化测试技术。装置设计方案如图2所示。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术70|图 2装置设计方案框图3.1.1验证板卡设计方案3.1.1.1母板设计板卡设计应满足多种类运算放大器全面覆盖性且能够实现多种典型电路的自动切换，根据需求，本装置验证板卡采用母板加DUT板设计。母板设计为具有兼容多种DUT板接口和控制功能，与上位机通过串口相接，为各测试DUT板提供继电器控制接口和数字IO控制信号、仪器接口，测试母板的核心控制为FPGA，接收上位机传来的测试命令，并产生控制信号、数字IO控制信号。验证母板框图如图3所示。图 3验证母板框图3.1.1.2DUT板设计根据不同种类的运算放大器的封装和功能的不同，DUT板按照器件的封装形式及功能来设计。根据被验证器件的功能配置、测试要求、负载特性进行设计，通过继电器切换外围电路，实现正向放大器、反向放大器、跟随器、加法器等电路功能切换，继电器的切换由测试母板控制，同时DUT板的结构与母板结构完全兼容。DUT板由被测器件、电源信号接口、输入激励信号接口、输出测量接口、外围配置电路、负载电路、继电器和继电器控制接口等部分组成。验证DUT板框图如图4所示。图 4验证 DUT 板框图3.1.1.3数字化采样设计依据验证装置需求，验证板卡需要实现数据采集精度高、快速的功能。运算放大器为模拟类器件，验证过程中采集的数据为模拟信号，模拟信号具有抗干扰能力弱的特点，在传输过程中容易受到各种噪声干扰。直接采样容易造成信号丢失，无法完成验证装置需求。因此，本装置设计中采用在母板中集成A/D信号转换模块，将DUT板的模拟信号直接传输到母板的A/D信号转换模块，将模拟信号转换为数字信号，再经过FPGA算法处理完成数据采样。A/D模块核心为高速A/D转换芯片，可以实现高精度、快速采集数据，以满足项目验证需求。数字化采样设计如图5所示。图 5数字化采样设计框图3.1.2验证机柜设计验证装置涉及较多仪器仪表，包含上位机、数字信号发生器、示波器、数字万用表、多路高精度电源、电子负载等，整套仪器在验证测试时杂散凌乱，影响验证效率，因此本验证装置采用系统集成机柜的方式将验证装置中的仪器设备集成为机柜式验证系统10。3.2软件设计根据应用所需要的功能，将程序分为7个模块来设计，分别为参数配置模块、数据库管理模块、波形显示模块、通信模块、仪器程控模块、状态显示及报警模块、数据解析模块。配合母板FPGA算法设计，共同实现半自动化测试功能，实现快速验证，提高效率。4装置研制和验证结果4.1验证装置研制依据验证板卡母板加DUT板的设计方案，研 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|71电子元器件与材料制验证装置，经过原理图绘制、PCB板投产、元器件选型、板卡调试完成了验证板卡的研制，母板加DUT板的实物效果图见图6、图7；研制验证机柜，通过机柜结构设计、设备仪表仪器选型、机柜安装调试，完成验证机柜的研制，机柜实物效果图见图8；上位机软件以及FPGA程序进行设计调试，完成自动化测试软件研制，上位机软件操作界面见图9。图 6验证母板效果图图 7验证 DUT 板效果图图 8机柜实物效果图图 9软件界面效果图4.2典型产品验证结果用运算放大器板卡验证装置对超低偏置电压运算放大器JF77ADZB进行板级验证，在电压跟随器、同相放大电路、反相放大电路和加法器电路四种典型电路下对器件的基本功能性能、动态损耗、压摆率、输出负责特性、幅频特性、相频特性、电源电压拉偏、热循环等参数验证。测试波形及数据举例见图10。图 10电源拉偏测试波形图5结语板卡验证装置是元器件应用验证的重要依托设备，广泛应用于元器件基础验证工作中。本文所述设计方案给出了一种具有普适性的运算放大器板卡验证实验装置，可以兼容多种工作模态、多种通道的运算放大器，具有数字化、高效率、经济性的特点，可以广泛应用于国产运算放大器应用验证工作中，也为其他类型元器件的dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术72|板卡应用验证实验装置设计提供了设计参考。参考文献1 杜卓宏,付琬月,丁丽娜,等.宇航元器件应用验证系统工程方法实践与探索J.重庆理工大学学报(自然科学),2019,33(6):236-240.2 朱英玮,孙海钦,李金,等.宇航用国产高精度运算放大器应用验证研究J.电子元器件与信息技术,2021,5(3):120-123.3 裴淳.一种国产器件替代验证项目的确定方法J.环境技术,2020,38(01):76-80.4 王兆安.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2000.5 吴蓬勃.基于需求工程的国产元器件应用验证技术研究J.信息通信,2019(05):280-281.6 张红旗,张延伟,毛喜平,等.深入推进宇航元器件过程控制体系的研究J.中国航天,2020(S1):18-21.7 廖勇,袁圆.进口元器件自主可控的风险分析及对策建议J.电子元件与材料,2020,39(06):14-18.8 陈瑜轩.元器件在整机应用中的若干问题J.仪表技术,2019(06):42-45.9 丁丽娜,孙明,张洪伟,等.宇航用某新型膜式熔断器应用验证方法设计与实现J.电子元件与材料,2018,37(09):89-94.10袁璐,杨泽石,刘文媛,等.元器件替代验证的信息化管理方案J.电脑知识与技术,2020,16(10):15-16.（上接第67页）提升其日常维护保养水平，确保器械电子设备的正常运转，更好地服务于病患，同时给医院也能带来更高的经济效益。总的来说，需要定期安排维护方案，并且结合预见性检修工作，对不同器械电子设备需要设计相对应的维护保养与检修方案，对运行现状、工作精度以及磨损水平予以检查与记录。4结论综上所述，电子科技智能持续发展，医疗器械电子设备的水平持续提升，因此，对于器械电子设备的维修管理工作也需与时俱进，如此才能真正满足实际工作与使用中的需求。对于医疗器械电子设备的维修管理，并非单纯修补，医院应充分重视这部分工作，借鉴先进的管理技术和手段，有效开展医疗设备的管理和维护维修，让各设备尽其所用，为医院和患者带来更好的利益。日常工作中，医院一定要充分认识到医疗设备维护保养的重要性，认真分析设备故障的原因，并制定合理的策略与方案，以此全面提高维修管理质量，提高设备的使用率。现代医院对于器械设备的维修管理属于医院精细化管理的一方面，需要长期付出努力，如何开展合理的维护管理，如何降低故障概率与基本成本，这些问题均需基于科学且标准的管理机制和规章制度。作为维修人员来说，自身也要主动学习，不断提升专业技术水平。参考文献1 李忠峰.医疗设备维修管理的问题与对策J.医疗装备,2021,34(13):84-85.2 唐健豪.信息化技术在医疗设备科学管理与维修中的应用研究进展J.中国设备工程,2022(12):89-91.3 张增涛,赵存存.医院大型医疗设备维修管理与维护保养分析J.设备管理与维修,2022(10):17-19.4 金光波.精细化理念在医疗设备维修管理中的应用探索J.中国医疗器械信息,2022,28(09):161-164.5 陆周.医院医疗设备的维修与养护管理研究J.中国设备工程,2022(06):71-72.