光电耦合器抗辐照能力无损筛选方法及装置与流程

本发明涉及电子电器技术领域，具体而言，涉及一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选方法及装置。

背景技术：

光电耦合器是把发光二极管和光敏三极管封装在一起，通过光电之间的互相转换实现信号传递的器件，该器件具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强等突出优点，被广泛应用于军事、航天、核技术等特殊空间环境的电子设备上；对应用于空间环境的光电耦合器，往往要受到环境中的各种辐射干扰，包括空间辐射、电磁辐射和α粒子辐射，并且由于空间设备在太空中处于无法维修状态，需要保证其使用的电子元器件具备寿命长的特点；因此对于空间设备所用电子元器件的可靠性要求远比在其它电子系统中的要求更为苛刻，由于上述原因，必须在使用前对航天用光电耦合器的抗辐照能力进行有效的检测、评价和筛选；研究表明，光电耦合器在空间环境中失效是两种不同机理所致；一种是高能质子辐照下的位错损伤，造成器件的永久退化；另一种是在重离子和质子辐照下造成器件的瞬时退化；即辐照损伤会使器件内产生大量表面态陷阱，悬挂键陷阱，氧化层陷阱等；瞬时退化一般仅仅会对光电耦合器的高增益放大有较大影响，而永久退化将对光电耦合器的总体性能产生较大影响。

现有技术中，对航天用光电耦合器的抗辐照能力的测试和筛选的方式主要有两种，包括：“辐照-退火”方法和多元回归分析法；其中，辐照-退火筛选方法具体过程如图1所示，首先对待筛选器件进行额定剂量的辐照；然后选择一种或者几种灵敏电参数，在两小时内完成测量，筛选掉不符合要求的器件；接着进行50％额定剂量的辐照；接着加压退火后再次进行电测试；最后筛选出合适的器件。这种方法具有检测成本高、检测时间长和对器件本省具有一定的破坏性的缺陷；并且由于采用大剂量率试验来等效空间低剂量率辐照环境的方法，模拟结果往往不准确。现有技术中的多元回归分析方法可以避免对待筛选光电耦合器的损伤，此种筛选方法的关键是选取辐照前的敏感参数，对辐照后器件性能参数进行预估。前者的敏感参数称为信息参数，想要预估的辐照后器件性能参数称为辐射性能参数。即对同一工艺制造出来的器件，通过对一定数量随机样品进行辐照试验，找出信息参数和辐射性能参数之间的函数关系，进而实现对未辐照器件的筛选，此技术难点是如何选择敏感的信息参数，既可以实现辐照前的抗辐照能力预测，又与器件的微观损伤紧密联系，通常的做法是选用辐照前电流传输比作为信息参数，辐照后的电流传输比变化量作为辐照性能参数，此种方法忽视了1/f噪声幅值B的变化直接反映器件中的缺陷状态的这一特征，导致回归预测方程不够准确，最终影响光电耦合器的筛选的准确性和可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选方法及装置，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选方法，包括：

获取作为随机子样的光电耦合器辐照前的电流传输比和1/f噪声幅值；

获取所述作为随机子样的光电耦合器经过辐照后的电流传输比；

基于辐照前的光电耦合器的电流传输比和经过辐照后的光电耦合器的电流传输比，计算辐照前后的电流传输比变化量；

对数据进行预处理，以所述噪声幅值作为信息参数，以所述电流传输比变化量作为辐照性能参数，建立多元线性回归方程，并计算线性回归方程中的系数向量；

基于所述系数向量，建立所述信息参数和辐照性能参数之间的无损筛选回归预测方程；

利用所述无损筛选回归预测方程，预测单个光电耦合器件的抗辐照性能，对同批其他光电耦合器器件进行筛选。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：

设置光电耦合器的偏置和负载条件；

在光电耦合器的输出端引出噪声信号；

对所述噪声信号进行低噪声的前置放大，得到前置放大信号；

采集所述前置放大信号，计算得到1/f噪声幅值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：

所述利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个光电耦合器的抗辐照性能，对同批光电耦合器进行筛选，包括：

获取待筛选光电耦合器的1/f噪声幅值；

基于所述1/f噪声幅值，利用所述回归预测方程，得到此光电耦合器的电流传输比变化量预测值；

将所述电流传输比变化量预测值和此批光电耦合器的电流传输比变化量容限进行比较，如果所述预测值在此类光电耦合器的电流传输比变化量容限之内，则认为此光电耦合器为合格产品；反之，如果所述预测值不在此类光电耦合器的电流传输比变化量容限之内，则认为此光电耦合器为不合格产品。

第二方面，本发明实施例提供了一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选装置，包括：

第一获取单元，用于获取作为随机子样的光电耦合器辐照前的电流传输比和1/f噪声幅值；

第二获取单元，用于获取获取所述作为随机子样的光电耦合器经过辐照后的电流传输比；

计算单元，用于基于辐照前的光电耦合器的电流传输比和经过辐照后的光电耦合器的电流传输比，计算辐照前后的电流传输比变化量；

线性回归方程建立单元，用于对数据进行预处理，以所述噪声幅值作为信息参数，以所述电流传输比变化量作为辐照性能参数，建立多元线性回归方程，并计算线性回归方程中的系数向量；

无损筛选回归预测方程建立单元，基于所述系数向量，建立所述信息参数和辐照性能参数之间的无损筛选回归预测方程；

测试单元，用于利用所述无损筛选回归预测方程，预测单个光电耦合器件的抗辐照性能，对同批其他光电耦合器器件进行筛选。

本发明实施例所提供的方法以及装置，能够实现在对光电耦合器无损坏的前提下，进行对光电耦合器抗辐照能力进行检验，进而实现准确、高效的筛选出抗辐照能力强的光电耦合器元器件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了现有技术中“辐照-退火”方法流程示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选方法的方法流程示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的1/f噪声幅值的测量系统的结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

光电耦合器输出端的1/f噪声来源于光敏三极管的1/f噪声和通过发光二极管耦合的1/f噪声，典型的光电耦合器中的1/f噪声幅值B与辐照诱发产生的电流传输比变化量存在正比例的关系，出现这种关系的原因在于产生构成光电耦合器噪声的通常是由其中的杂质和缺陷所引起的，如氧化层陷阱、杂质缺陷、界面态陷阱等；这使得可以通过对光电耦合器的1/f噪声幅值B进行器件筛选。

下面通过具体实施例进行对本发明技术方案的详细介绍。

如图1所示，本发明实施例提供了一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选方法，包括如下步骤：

S201、获取作为随机子样的光电耦合器辐照前的电流传输比CTR和1/f噪声幅值B；

其中，1/f噪声即功率谱密度的幅值与频率成反比的一类噪声，也叫闪烁噪声(flicker noise)，是有源器件中载波密度的随机波动而产生的，其中f表示频率；

进行上述步骤中之前，首先需从一批光电耦合器的抽样母体中按照简单随机抽样原则抽取n个随机子样，n大于等于20；测量这些随机子样光电耦合器的电流传输比CTR和1/f噪声电压功率谱幅值B，并记录测试条件；

本发明测量样品的辐照前电流传输比CTR采用现有技术中的常规测试手段即可，对1/f噪声幅值B的测试采用如图3所示的1/f噪声幅值噪声电压功率谱幅值B的测量系统，该系统包括：电源、光电耦合器适配器、偏置器、低噪声前置放大器、数据采集与分析系统五部分；其中光电耦合器适配器和偏置器主要是根据待测器件噪声测试的具体要求，提供偏置条件、负载条件，使之处于相应的测试状态；待测的噪声信号经过前置放大器和数据采集卡被送至微机进行数据的分析处理、存储和打印输出；数据采集卡采用DAQ2010数据采集卡，其最大采样速率为2MHz，量化精度为14bit，以实现信号实时、快速、准确的采集，并保证较大的频率范围和测试精度；具体测量过程如下：

a、设置光电耦合器两端的偏置电压；

b、在光电耦合器输出端引出噪声信号；

c、对上述噪声信号进行前置放大，得到前置放大信号；

d、采集所述的前置放大信号，计算得到噪声电压功率谱幅值。

S202、获取所述作为随机子样的光电耦合器经过辐照后的电流传输比CTR`；

需要说明的是，上述辐照实验的辐照的剂量率和总剂量要根据具体光电耦合器件额定辐照剂量来设定，为了模拟空间辐照环境，优选地，剂量率设置在50到300rad(Si)/s之间，且要限制在辐照后两个小时之内完成测量，以免器件退火严重影响测试结果；对该辐照后的随机子样电流传输比CTR`采用下有技术中的常规手段进行即可。

S203、基于辐照前的光电耦合器的电流传输比CTR和经过辐照后的光电耦合器的电流传输比CTR`，计算辐照前后的电流传输比变化量ΔCTR，即ΔCTR＝CTR`-CTR；

S204、对数据进行预处理，以1/f噪声幅值B作为信息参数，以电流传输比变化量ΔCTR作为辐照性能参数，建立B和ΔCTR之间的多元线性回归方程，并计算线性回归方程中的系数向量对上述n个子样，构建多元线性回归矩阵

其中：X是由辐照前的1/f噪声幅值B的测量值构成的已知常数矩阵，为系数向量，是残差，和X为实测值，具体过程包括如下步骤：

步骤1、将多元线性回归方程可进一步展开为

其中ΔCTR₁、ΔCTR₂、...、ΔCTR_n为第1、2、...、n个随机子样的辐照后电流传输比变化量；B₁、B₂、...、B_n为第1、2、...、n个随机子样的辐照前1/f噪声幅值B；β₀、β₁分别为常数项、1/f噪声幅值B的系数；ε₁、ε₂、...、ε_n为第1、2、...、n个随机子样的线性回归方程的残差。

步骤2、利用最小二乘估计方法得出信息参数的系数向量为：

其中X^l为X的转置矩阵。

S205、基于系数向量建立信息参数B和辐照性能参数ΔCTR之间的无损筛选回归预测方程；

在给定的1-α置信度下，待筛选光电耦合器信息参数向量其中B_k为待筛选器件实测的噪声电压值，则其辐照后电流传输比变化量的无损筛选回归预测值为：

其中：t(1-α/2，(n-2))是自由度为n-2，分位点为1-α/2的t分布，

为残差，为的转置，X^l为X的转置，为的转置；

MSE定义如下：

其中，SSE为方差平方和，

S206、利用上述无损筛选回归预测方程，预测单个器件的抗辐照性能，对同批其他光电耦合器器件进行筛选。

进一步的，利用无损筛选回归预测方程，测试单个光电耦合器的抗辐照性能，对同批光电耦合器进行筛选，包括：

首先，测量待筛选器件的1/f噪声幅值B，测量条件和步骤S201中的测量条件相同，把这个参数1/f噪声幅值B带入回归预测方程，得到此器件的电流传输比变化量预测值；将此预测值和此批光电耦合器件手册中的给出的电流传输比变化量容限进行比较，如果此预测值在此批器件的电流传输比变化量容限之内，则认为该光电耦合器件通过筛选，其抗辐照性能较好，为合格产品；反之，如果得到的预测值落在此批器件的漂移容限之外，则认为该光电耦合器件没有通过筛选而被剔除掉。

本发明实施例所提供的筛选方法与现有的筛选方法相比，具有以下优点：

1、筛选出来的器件是未经过辐照的，属于“无损筛选”，因此筛选过程不会减少器件寿命；

2、所选用的信息参数，即1/f噪声幅值B涵盖了光电耦合器接受辐照时电流传输比变化的主要产生因素，准确度高；

3、只需测量待筛选器件的一个参数，筛选周期短，方法简单，易于使用。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种光电耦合器抗辐照能力无损筛选装置，包括：

第一获取单元410，用于获取作为随机子样的光电耦合器辐照前的电流传输比和1/f噪声幅值；

第二获取单元420，用于获取作为随机子样的光电耦合器经过辐照后的电流传输比；

计算单元430，用于基于辐照前的光电耦合器的电流传输比和经过辐照后的光电耦合器的电流传输比，计算辐照前后的电流传输比变化量；

线性回归方程建立单元440，用于对数据进行预处理，以噪声幅值作为信息参数，以电流传输比变化量作为辐照性能参数，建立多元线性回归方程，并计算线性回归方程中的系数向量；

无损筛选回归预测方程建立单元450，基于上述系数向量，建立信息参数和辐照性能参数之间的无损筛选回归预测方程；

测试单元460，用于利用无损筛选回归预测方程，预测单个光电耦合器件的抗辐照性能，对同批其他光电耦合器器件进行筛选。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。