Сенсорные системы, 2022, T. 36, № 3, стр. 252-261

ВВЕДЕНИЕ

Надежность современных электронных уст-ройств (ЭУ) в настоящее время неуклонно растет. Несмотря на это, высокая стоимость, уникальность, тяжелые условия монтажа и пусконаладочных работ, использование на объектах критической инфраструктуры (Кубарев и др., 2020; Masloboev, 2020), вызывают необходимость создания эффективных методов технической диагностики (ТД) – отрасли научно-технических знаний, сущность которых составляют теория, методы и средства обнаружения, и поиск дефектов объектов технической природы (Еременко, 2012).

Изменение значения внутренних параметров электронных узлов с выходом их за допустимые пределы могут привести к преждевременным отказам либо сбоям функционирования ЭУ. Современные методы по определению технического состояния ЭУ направлены на обнаружение и локализацию возникших неисправностей или предсказания появления неисправностей ввиду обнаружения скрытых дефектов. Помимо старения и деградации электронных устройств возможными являются неисправности, связанные с дефектами, не выявленными в ходе производственных исследований. Данные неисправности могут проявиться в любое время при эксплуатации электронного изделия в условиях воздействия реальных факторов.

Анализ современного состояния научно-технической проблемы ТД показал, что каждый из методов имеет свои недостатки, порой несовместимые с объектом исследования. Техническая диагностика – творческий процесс, основанный на совместном использовании этих способов, относительно которых возникают разногласия среди исследователей. Применение того или иного способа проверки исправности элементов объекта зависит от конкретного типа ЭУ, личных качеств оператора и условий проведения исследования.

Развитием теории технической диагностики является метод ПРТД (Бойков и др., 2021; Бойков, Костин, 2021), основанный на регистрации электрической составляющей ближнего поля (или СРП), при собственных излучениях электронных узлов. Пассивная радиосенсорная техническая диагностика имеет существенные преимущества перед современными методами ТД (в том числе и перед JTAG-тестированием (Hu et al., 2019): не требует гальванического контакта с исследуемым образцом, не занимает процессорное время и не влияет на объект исследования. На основе обзора научной литературы, в табл. 1 приведен общий сравнительный анализ основных параметров особо значимых методов ТД.

Один из самых популярных на сегодняшний день тепловой метод ТД обладает высокой инерционностью и невозможностью регистрации быстроизменяющихся процессов. Электрический, магнитный, радиационный, радиоволновой и оптический методы ТД требуют наличия сложного оборудования по созданию, излучению и приему электромагнитных волн с различным частотным спектром, что усложняет процесс диагностики. К тому же данные методы ТД требуют остановки функционирования объекта исследования, что зачастую неприемлемо. Недостатками самого доступного из методов технической диагностики – метода справочников, является тесная взаимосвязь результатов диагностики с опытом исследователя, необходимость доступа ко всем узлам и соединениям, чувствительность к погрешностям вычислений. Перечисленных недостатков лишен новый радиосенсорный метод ТД, основное отличие которого от известного радиоволнового метода заключается в отсутствии генератора зондирующих импульсов.

Исследование пассивной радиосенсорной технической диагностики – актуальная задача, позволяющая открыть новые возможности теории ТД, дистанционно определяя неисправности ЭУ на самых ранних стадиях, не оказывая влияния на объект исследования.

ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ

Как и любой другой метод технической диагностики, ПРТД имеет свой инструментарий, а также набор диагностируемых параметров, явно или косвенно получаемых в результате проводимых исследований.

Колебательное перераспределение энергии. Наличие фильтрующих и паразитных емкостей в ЭУ при подаче напряжения питания ведет к перераспределению энергии между элементами фильтрации и паразитными реактивными накопителями (далее – накопителями), которое имеет колебательный характер. Затухание колебаний здесь будет зависеть от соотношения нагрузочных параметров потребителей и накопителей, причем чем меньше нагрузка потребителя, тем медленнее затухают колебания. Также в электронных узлах ЭУ имеет место возникновение колебательного перераспределения энергии между накопителями, в роли которых выступают емкости подзатворных диэлектриков МОП-структур, барьерные и диффузионные емкости p-n переходов, переходов Шоттки (Ткаченко, 2018).

Для излучения при колебательном перераспределении энергии мощность должна быть передана от источника на излучающий элемент. На практике наиболее часто встречается непосредственное излучение источника, например, подводящих линий или отдельного компонента. Также встречаются излучения через подключенные кабели питания, шины данных или сигнальные линии.

Аналитически отношение величины нагрузок потребителей и накопителей определяется значением корней характеристического уравнения, составленного для электрической цепи (Башарин, 2018):

где R – общее омическое сопротивление, L – общая индуктивность, С – общая емкость, p – параметр, равный $\frac{{dU}}{{dt}}$.

Следует заметить, что порядок данного уравнения равен числу независимых накопителей энергии, под которыми понимаются паразитные индуктивности и емкости в схеме соединения элементов электронного узла. В случае цепей третьего порядка и выше найти параметры колебаний можно лишь приближенно, выделив отдельные составляющие процесса. Однако, исследуя природу возникновения реактивных накопителей, их номиналы и способы соединения, с незначительной погрешностью (на практике менее 5%) можно привести уравнения высших порядков к уравнению (1). Решение данного уравнения – решение с нулевой правой частью, соответствует режиму, когда внешняя принуждающая сила источника на цепь непосредственно не воздействует. Влияние проявляется здесь через энергию, запасенную в полях индуктивных и емкостных накопителей, т.е. речь идет о свободном режиме работы, и общее решение уравнения (1) называется свободной составляющей (U_СВ).

Выражение для свободной составляющей определяется видом корней характеристического уравнения и зависит от значений параметров элементов цепи (R, L, C). При колебательном характере процесса перераспределения энергии между накопителями корни характеристического уравнения (1) комплексно-сопряженные p_1,2 = – δ ± jω.

Наличие пары комплексно-сопряженных корней обусловливает появление затухающих синусоидальных колебаний. Тогда выражение свободной составляющей имеет вид (Башарин, 2018)

где U₀ – начальная амплитуда колебаний (постоянная интегрирования, зависящая от значений параметров накопителей), δ – коэффициент затухания, ω – угловая частота колебаний, φ – начальная фаза колебаний (постоянная интегрирования, зависящая от значений параметров накопителей).

Поскольку обычно электронный узел состоит из группы компонентов, итоговый СРП узла – суперпозиция СРП входных и выходных цепей его составляющих, излучающих свободные затухающие колебания в моменты времени, соответствующие приходу управляющего импульса (Бойков, 2021):

где t – текущий момент времени, t₀ – момент времени начала излучения i-го колебания.

Выражение (3) является основным уравнением для СРП, излучаемого электронным узлом устройства и справедливо только при выполнении условия t – t_0i ≥ 0, а при t – t_0i < 0: U_СВi = 0. С физической точки зрения это означает отсутствие i-го колебания в момент, когда в соответствующем узле или элементе еще не происходит перераспределение энергии между реактивными накопителями. Также в выражении (3) отсутствует начальная фаза излучения, поскольку этот параметр косвенно входит в t₀.

На рис. 1 представлен сложный СРП, иллюстрирующий выражение (3).

Декомпозиция СРП. Для детального исследования СРП необходимо представить его в виде суммы составляющих сигналов, математическая обработка которых более проста и более полно раскрывает информационные аспекты исходного сигнала (Reddy, Rameshwar, 2019).

Для получения информации о коэффициенте затухания и времени начала излучения (фазе) для каждого из колебаний предлагается воспользоваться идеей оконного преобразования Фурье (Астахов и др., 2019; Данилов, 2020) и получить спектр затухающих колебаний со сдвигом на каждый дискрет:

где K – общее число точек СРП, O – число точек, образующих “окно” преобразования, h – номер отсчета положения “окна” (0< h < K–O), U(O) – сигнал, дискретизированный во времени, с – номер отсчета.

Для удобства отображения по полученным отсчетам строится двумерная зависимость нормированной (приведенной) амплитуды спектра сигнала от частоты и от положения “окна” (рис. 2).

Положение окна на оси времени t связано с h через частоту дискретизации f_Д СРП: $t = \frac{h}{{{{f}_{Д}}}}$.

По данной зависимости нетрудно определить частоту излучения f (по максимумам частотной характеристики) и момент времени начала излучения i-го колебания. Поскольку положение “окна” изменяется со временем, то при его приближении к моменту начала излучения i-го колебания значение приведенного амплитудного спектра на данной частоте увеличивается и достигает максимума. Далее по мере продвижения “окна” по оси времени происходит затухание приведенного амплитудного спектра с тем же коэффициентом, что и затухание i-го колебания:

где Х_0i – приведенный амплитудный спектр i-го колебания в начальной точке.

Момент перехода от возрастания к затуханию (точка экстремума) и есть точка начала излучения (рис. 3).

Время начала излучения можно определить двумя способами. По дискретам кривых (рис. 2 и 3) найти максимальное значение X. Искомая величина – ордината точки t₀. Данный метод не обладает высокой точностью, поскольку сильно зависит от частоты дискретизации. Более точное определение времени включения излучения t_0i возможно при аппроксимации кривых полиномом j-й степени с последующим нахождением экстремума:

где с_n – коэффициенты полинома.

Очевидно, чем выше степень аппроксимации, тем точнее полученное значение. Анализ показывает, что данный метод при j = 6 позволяет повысить точность нахождения времени включения приблизительно на 30%.

Амплитудный спектр является суммой амплитуд колебаний во времени, для нахождения амплитуды первой полуволны каждого колебания необходимо провести операцию дифференцирования по времени (определить скорость изменения v_i) приведенного амплитудного спектра в начальной точке:

Таким образом, подставив начальный момент времени (t = 0) в выражение (7), можно записать

Знак “–” в выражении (8) говорит об изменении приведенного амплитудного спектра в сторону уменьшения.

Поскольку на рис. 2 представлены приведенные значения уровня сигнала, то и работать необходимо с приведенными начальными амплитудами. Для определения значений начальных амплитуд колебаний каждого из излучателей нужно найти максимальное значение параметра $\left| {{{v}_{i}}} \right|$ и относительно него найти начальные амплитуды (привести к $\left| {{{v}_{i}}} \right|$):

Подготовка и проведение эксперимента. Для проведения испытаний по регистрации СРП с дальнейшей декомпозицией и анализом параметров построена измерительная система, представленная на рис. 4.

Сигнальный радиопрофиль, излученный ЭО (экспериментальным образцом – исследуемым устройством), принимается широкополосной антенной А (сверхширокополосная измерительная логопериодическая антенна П6-122М2, производитель СКАРД-Электронникс, Россия) и усиливается МШУ – малошумящим сверхширокополосным усилителем (АСК001030, производитель СКАРД-Электронникс, Россия). Усиленный СРП обнаруживается и регистрируется сверхбыстродействующим осциллографом реального времени О (DSOS604A, производитель Keysight Techno-logies Company Ltd., Китай). Полученные в результате измерения данные передаются в персональный компьютер ПК для декомпозиции и экстракции параметров СРП.

На рис. 5 представлен разработанный для проведения испытаний ЭО, состоящий из параллельно соединенных: ключа на МОП-транзисторе и ключа на биполярном транзисторе (БПТ).

Управляющее напряжение на затвор МОП-транзистора 2N7000 (Q1) и базу БПТ ВС547 (Q2) от источника питания + 5 В, подключенного к разъему SA1, подается посредством замыкания контактов SA2. R1 – перемычка, R2 – подтягивающий резистор 100 кОм, R3, R6 – нагрузка 100 Ом, R4, R5 – делитель напряжения. Эксперимент будет проведен для трех случаев: нормальное функционирование; отсутствие нагрузки Q1 (демонтаж R3); повышение напряжения питания до +6 В.

РЕЗУЛЬТАТЫ

После подачи управляющего напряжения составной узел ЭО излучает сложный СРП, который регистрируется и обрабатывается измерительной системой (рис. 4). СРП корректно функционирующего образца в дальнейшем будем называть репером. Как было сказано выше, итоговый сигнальный радиопрофиль составного узла – суперпозиция излучений входных и выходных цепей. Излучения входной цепи МОП-транзистора (вход 1) в основном связаны с емкостью затвора, а выходной (выход 1) с емкостью донной части р-n-перехода сток-подложка. Время включения выходного излучения связано с быстродействием самого элемента (параметр Turn-On Delay Time). Излучения входной цепи БПТ (вход 2) в основном связаны с емкостью перехода база-эмиттер, значение которой имеет сильную нелинейную зависимость от напряжения. Излучения выходной цепи БПТ (выход 2) связаны с емкостью перехода коллектор-подложка. Время включения выходного излучения связано с частотой переключения.

На рис. 6 показаны СРП репера в сравнении с СРП ЭО без нагрузки (R3 демонтирован) и СРП ЭО с повышенным напряжением питания +6 В (ПНП). В табл. 2 и 3 представлены значения параметров, зарегистрированных СРП.

Результаты эксперимента показывают, что значения параметров СРП, полученных при различных типах неисправностей, позволяют не только определить саму неисправность, но и локализовать ее.

OБСУЖДЕНИЕ

При отсутствии нагрузки Q1 из СРП полностью пропал один излучатель, связанный с выходной цепью (выход 1, рис. 6, а). Значения остальных параметров изменились в пределах погрешности измерения. Число N в выражении (3) показывает число источников затухающих колебаний (рис. 1), зная которое можно определить, все ли интересующие элементы узла участвуют в излучении. Для этого необходимо знать число излучателей в реперном СРП, зарегистрированном от априори функционального узла. В случае, если N полученного СРП меньше, чем число излучателей репера N_P, то следует делать вывод о выходе из строя, либо шунтировании некоторых компонентов интересующего узла, либо о некорректном производстве измерения. Принять решение в данной ситуации поможет совокупность параметров СРП. В случае равенства – все элементы узла участвуют в излучении. При превышении числа излучателей в тестовом СРП по сравнению с репером можно говорить о неверном вычислении данного параметра, либо некорректном производстве измерения.

При подаче повышенного напряжения питания на ЭО наиболее заметно изменение частоты излучения входной цепи БПТ (на 16%, рис. 6, б). Для определения причины данного изменения необходимо учесть, что входная емкость БПТ база-эмиттер CBE равна сумме диффузионной C_BED и барьерной C_BEB составляющих (Vostokov et al., 2020):

Поскольку эмиттерный переход работает в прямом смещении, то C_BED >> C_BEB и можно записать (Разевиг, 1999)

где t_f – расчетное время переноса заряда через базу, I_B – ток базы, V_BE – падение напряжения на переходе база-эмиттер.

В свою очередь

где TF – время переноса заряда через базу в нормальном режиме, XTF – коэффициент, определяющий зависимость TF от смещения база-коллектор (V_BC), ITF – ток, характеризующий зависимость TF от тока коллектора, VTF – напряжение, характеризующее зависимость TF от V_BC (Разевиг, 1999).

Из выражения (12) видно, что расчетное время переноса заряда через базу, а следовательно, и входная емкость база-эмиттер имеют сильную нелинейную зависимость от напряжения (V_BC), что обусловливает заметное изменение частоты излучения входной цепи БПТ.

Значения выходных параметров также несущественно изменились, что связано с изменением выходных барьерных емкостей обратно смещенных p-n-переходов полупроводниковых компонентов.

ВЫВОДЫ

Таким образом, в представленной работе впервые исследован сложный сигнальный радиопрофиль, полученный от СЭУ. Предложенные выражения для колебательного перераспределения энергии и способ декомпозиции позволяют провести экстракцию параметров СРП с последующим их анализом. Сравнение параметров репера и СРП экспериментального образца с дефектом позволяет определить не только тип неисправности и место ее возникновения, но и неверный режим работы электронных компонентов.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о преимуществах метода ПРТД по сравнению с существующими на сегодняшний день методами ТД – это скорость принятия решения, отсутствие инерционности и гальванического контакта с исследуемым объектом. Следует заметить, что все измерения по регистрации излучаемого СРП с последующим анализом были проведены дистанционно, без доступа к экспериментальному образцу, что открывает новые возможности в проведении ТД молниеносно развивающихся электронных устройств.