电荷放大器可靠性分析

电荷放大器可靠性分析

                                                                                       魏冬,张志杰，裴东兴

                                  (仪器科学与动态测试教育部重点实验室　中北大学　电子工程系　太原　030051)

摘要　本文介绍了电荷放大器在存储测试系统中的作用，详细说明了电荷放大器工作原理，推导出电荷量与输出电压之间的关系。通过故障树的方法对电荷放大器的可靠性进行分析，得出电荷放大器的 和可靠性曲线，定量计算出电阻、电容、焊点和芯片在一个完整的存储测试电路中的失效率，定性的分析出不同部分对整体系统失效率的影响度。

关键字  电荷放大器 可靠性 失效率  故障树

Reliability-Analysis of Charge Amplifier

                   Wei Dong，ZhangZhijie，PeiDongxing

（Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement(North UNIversity of China),Ministry of Education,

electronic engineering department, Taiyuan 030051, China）

Abstract　 In this paper, the function and operating principle of charge amplifier in the stored testing and measuring system were introduced., then derived the relation of charge and output-voltage. The reliability of charge amplifier was analyzed by fault tree. The MTBF and reliability-curve of charge amplifier was obtained. The miss ratio to a whole stored testing and measuring system of resistance, caPACitance, weld and CMOS chip was quantitative calculated. The influence of difference parts to the miss ratio of whole system was qualitative analyzed.

Key words　 charge amplifier　reliability　miss ratio　MTBF　fault tree

1引言

在使用压电晶体传感器的测试系统中，电荷放大器是一种必不可少的信号适调器。它能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又能够将传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出。在测试系统中，测试产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力即为可靠性。测试系统的每一部分都会不同程度的影响整个系统的可靠性，由于部分的失效引起的系统失效的概率也就不同。

随着存储测试技术的发展，存储测试系统逐渐模块化、标准化和系列化。如果将一些功能模块制成 ASIC，就会满足动态测试对测试装置的要求，并使存储测试系统可靠性得到极大地提高。

图1 存储测试系统原理框图

图1为使用专用集成电路设计的存储测试系统。电荷放大器是测试系统中的一个串联环节，因此它的失效直接影响整个系统的失效。

2电荷放大原理

          图2 电荷放大器原理图

图2为电荷放大器原理图。压电晶体受到压力作用产生电荷 ； 是传感器级间电容， 是此时充到 中的电荷； 是传感器传输电缆的电容， 是此时充到 中的电荷， 是输入电缆漏电导； 是电荷放大器的输入电容， 是此时充到 中的电荷， 是放大器的输入电导； 是此时在运算放大器反相输入端上产生的差动电压； 是电荷放大器的反馈电容，作用到  两端的电压是 和输出电压 的差值， 是此时充入 的电荷， 是放大器的反馈电导；运算放大器的开环系数为A，由于电压是反向输入，所以       

  ，

因此作用在 两端的电压为

假设反馈电阻 的阻值为无限大

所以

在精度的范围内可以忽略部分数量级小的部分，可以认为：

根据传感器的电荷灵敏度、量程和反馈的电容计算出输出的最大电压。

3可靠性分析

故障树分析法，简称FTA(Fault Tree Analysis),它是由美国贝儿的H.A..Watson首先提出的，用于民兵导弹的控制系统设计上，为预测导弹发射的失效率做出了贡献。故障树分析采用演绎分析方法，以系统不希望发生的事件（即故障事件）作为分析的目标，先找出导致这一事件发生的所有直接原因和可能原因，接着将这些直接原因和可能原因作为第二级事件，再往下找出造成第二级事件发生的全部直接原因和可能原因，并按此找下去，直到发现那些最原始的直接原因。

建造故障树是FTA过程中的第一个关键环节，是最基本、最实际、最艰苦，在一定意义上也是最有用的环节。如图3建造电荷放大器的故障树：

             图3 故障树

从分析结果来看电荷放大器的失效率由四部分组成，应分别进行计算。

    电阻的失效率计算公式为：

在电阻的失效率计算中，基本失效率 ；环境系数 ；质量系数 ；阻值系数 ，共使用电阻7个，其失效率为：

    电容的失效率计算公式为：

在电容的失效率计算中，基本失效率 ；环境系数 ；质量系数 ；阻值系数 ，共使用电容6个，其失效率为：

    焊点的失效率计算公式为：

在焊点的失效率计算中，基本失效率 ；环境系数 ；质量系数 ；在测量装置中共有34个焊点，所以其失效率为：

模拟电路的失效率计算公式为：

在集成电路的失效率计算中，质量系数 =1；电压应力系数 =1；环境系数 ；成熟系数 =1。管壳温度按 =70°C计算，结温按 = +9=79，温度系数 ；模拟电路的复杂度每片按30个晶体管计算，其复杂度失效率 ， ；模拟电路为非密封、8引脚器件，其封装复杂度失效率 ；按1片计算，其失效率为：

电荷放大器的失效为：

4结论

电荷放大器的平均无故障工作时间为：

=4.7万小时=5.5年

假定电荷放大器服从指数分布，则可靠性为：

可靠性曲线如图4

           图4 可靠性曲线

从计算中还可以清楚看出电阻、电容和芯片对系统的可靠性影响较大，而焊接点对其影响较小。因此要对电阻、电容和芯片要进行严格的筛选和老化。

参考文献

1 Anton F P Van Putten .Electronic Measurement Systems.Institute of Physics Publishing. 1996.

179-203

2 孙青,庄弈棋,王锡吉,刘发.电子元器件可靠性工程.电子工业出版社.2002.48-55

3  裴东兴.新概念动态测试研究.北京,北京理工大学.93-101

4 张登峰.小型化电荷放大器设计的一种新方法.兵工自动化.1999年第1期.53-59

5美国军用标准:《系统和设备的研制和生产可靠性管理规划》,电子工业部标准化研究所.45-73