Микросхема многоканального операционного усилителя и электрометрического повторителя на радиационно-стойком базовом матричном кристалле «АБМК-1.3»

Аннотация

О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Н.Н. Прокопенко, Е.И. Старченко

Дата поступления статьи: 12.03.2013

Рассмотрены особенности схемотехники и результаты компьютерного моделирования микросхемы, содержащей 4-канальный операционный усилитель (ОУ) и 2-канальный электрометрический повторитель напряжения, предназначенные для предварительной обработки сигналов датчиков в физике высоких энергий. 
Особенностями разработанного ОУ являются отсутствие источника тока во входном дифференциальном каскаде и использование параллельного высокочастотного канала для увеличения полосы пропускания и скорости изменения выходного напряжения.
Приводятся результаты экспериментальных исследований, которые подтвердили малую чувствительность параметров разработанных микроэлектронных изделий, созданных на базовом матричном кристалле «АБМК-1.3» без применения горизонтальных p-n-p-транзисторов, к воздействию гамма- облучения и электронов с энергией 4 МэВ.   

Ключевые слова: операционный усилитель, базовый матричный кристалл, повторитель напряжения, датчик, чувствительный элемент датчика, радиационная стойкость

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Введение
Разработанный в [1] подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых интегральных схем (ИС), выполняющих предварительную обработку сигналов чувствительных элементов датчиков, предусматривает в соответствии с [2,3]:
- реализацию требуемых функций и параметров аналоговых устройств на основе радиационно-стойких операционных усилителей (ОУ) и электрометрических повторителей напряжения с входными полевыми транзисторами с p-n-переходом и каналом p-типа (p-ПТП);
- применение во всех аналоговых компонентах только радиационно-стойких p-ПТП и n-p-n-транзисторов, исключение из схем горизонтальных p-n-p-транзисторов;
- возможность изменения быстродействия и нагрузочной способности аналоговых компонентов варьированием импеданса ограниченного числа RC-цепей.
Целью настоящей статьи является рассмотрение особенностей построения микросхемы, содержащей 4-канальный ОУ и 2-канальный электрометрический повторитель напряжения, разработанные с учетом рекомендаций [4,5,6].
Особенности схемотехники аналоговых компонентов. Отказ от применения p-n-p- транзисторов значительно усложнил схемотехнический синтез, т.к. затруднил реализацию повторителей тока («токовых зеркал») и двухтактных усилительных каскадов, а также заставил принять особые меры для уменьшения влияния на основные характеристики аналоговых компонентов допустимого технологического разброса параметров ПТП.
Разработанные с учетом [7,8,9] для базового матричного кристалла «АБМК-1.3» схемы ОУ и повторителя напряжения показаны на рис. 1. Электрические схемы на приведенных рисунках отражают специфику проектирования микросхем на «АБМК-1.3» [7]:
- необходимая величина сопротивления получена с помощью последовательно-параллельного соединения резисторов, умощнение транзисторов (увеличение допустимого рабочего тока) осуществляется за счет параллельного соединение однотипных транзисторов;
- условные графические обозначения транзисторов включают наименование элементов «АБМК-1.3» (в качестве n-p-n- транзисторов применяются элементы GC1E с минимальной площадью эмиттерного перехода, 2GC – с удвоенной минимальной площадью эмиттерного перехода, в качестве малошумящего p-ПТП – элемент PADJ);
- в обозначении резисторов отражено сопротивление, которое реализуется при определенном соединении расположенных на кристалле базовых резисторов фиксированной величины, равной 650 Ом, 1250 Ом, 5,8 кОм, 9,2 кОм. Так, резистор R1_1 на рис. 1а обозначен как 3R 258. Это означает, что он образован тремя параллельно соединенными между собой резисторами с результирующим сопротивлением 258 Ом, т.е. 3R 258= 650||650||1250;
- в некоторых местах для упрощения схемы приведено суммарное сопротивление цепочки резисторов, например, R3 = 85,5 кОм (рис. 1а).
Особенностями ОУ, показанного на рис. 1а, являются:
- отсутствие источника тока во входном дифференциальном каскаде (Q3, Q7);
- применение каскада с активной нагрузкой на p-ПТП (Q12, Q14);
- использование параллельного высокочастотного канала (Q1, R1, R2 и C1) и выходного каскада на n-p-n-транзисторах (Q15, Q17) для увеличения полосы пропускания и скорости изменения выходного напряжения.

а)

б)
Рис. 1 – Схемы операционного усилителя (а) и электрометрического повторителя напряжения (б)

Повторитель напряжения (рис. 1б) включает истоковый повторитель на p-ПТП (Q5, Q4), эмиттерный повторитель (Q6, Q9), каскад сдвига уровня (Q8, R5, R6) и двухтактный выходной каскад на n-p-n- и p-ПТП.
Схемы ОУ и повторителя разработаны с учетом обеспечения программирования основных параметров [1]. Так, в ОУ:
- резистор R_COR3, включенный между узлами COR3 и VCC, позволяет увеличить коэффициент усиления ОУ при обработке отрицательной полуволны выходного напряжения (вытекающий ток из нагрузки) за счет увеличения тока потребления;
- конденсатор С_COR12 (между COR1 и COR2) изменяет форму амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и уменьшает длительность фронта выходного импульса;
- резистор R_COR4 (между COR4 и VEE/VCC) регулирует напряжение смещения нуля (VOFF).
Для повторителя напряжения:
- резистор R_COR1__VCC (между COR1 и VCC) позволяет увеличить скорость спада выходного напряжения;
- резистор R_COR2__VCC (между COR2 и VCC) и RCOR2_VEE (между COR2 и VEE) изменяет напряжение смещения нуля.
Результаты измерений
Эскизный сборочный чертеж, иллюстрирующий наименования и нумерацию выводов в 48-выводном четырехстороннем корпусе типа Н16.48-1 В, приведен на рис. 2, на котором последний символ «F» в названии вывода указывает на его принадлежность к повторителю напряжения.

Рис. 2 – Эскизный сборочный чертеж многоканальной ИС

Параметры ОУ и повторителя напряжения определялись по известным методикам [10] с помощью измерительного комплекса UNIPRO В-424/B-131, кроме того изучались характеристики инструментального усилителя (ИУ), выполненного по типовой схеме на трех ОУ [11]. Основные результаты приведены в табл. 1-3.
Таблица 1
Параметры ОУ и ИУ при напряжении питания, равном + 5,0 В, заданном сопротивлении нагрузки (R_LOAD) и коэффициенте усиления (KV)

Таблица 2
Параметры повторителя при напряжении питания, равном + 4,0 В

Таблица 3
Влияние корректирующих резисторов на параметры повторителя при напряжении питания, равном + 5,0 В

Примечание. I_S – ток потребления при R_LOAD=∞; r_R(r_F) - скорость нарастания (спада) выходного напряжения; V_INPMAX(V_INPMIN) - максимальное (минимальное) значение входного напряжения.

Осциллограммы выходных напряжений показаны на рис. 3-6.

а)

б)
Рис. 3 – АЧХ ОУ при неинвертирующем включении с K_V=10 и нагрузке R_LOAD=10 МОм, C_LOAD=11 пФ (а) и инструментального усилителя на его основе при нагрузке R_LOAD=10 МОм, C_LOAD=11 пФ (б)

Рис. 4 – Выходной сигнал ОУ при неинвертирующем включении с K_V=10 и нагрузке R_LOAD=10 МОм, C_LOAD=11 пФ

Рис. 5 – Выходной сигнал ИУ при K_V=10 и нагрузке R_LOAD=10 МОм, C_LOAD=11 пФ

При определении скорости нарастания выходного напряжения всех аналоговых компонентов амплитуду входных прямоугольных импульсов увеличивали до тех пор, пока угол наклона выходного напряжения не переставал расти [12,13].
Как следует из результатов измерений, введение в повторителе резистора R_COR1__VCC увеличивает скорость спада и уменьшает «выброс» на импульсной характеристике. Однако при малой величине R_COR1__VCC напряжение смещения повторителя растет по абсолютной величине. С другой стороны, включение R_{COR2_VCC} позволяет уменьшить абсолютную величину напряжения смещения и скорость нарастания. Таким образом, корректный выбор сопротивлений резисторов R_COR1__VCC, R_COR2__VCC позволяет достичь компромиссного сочетания параметров r_R, r_F, V_OFFповторителя напряжения.

Рис. 6 – Выходной сигнал повторителя при R_{COR1_VCC}=100 кОм и нагрузке R_LOAD=10 МОм, C_LOAD=11 пФ

Заметим, что, с нашей точки зрения, зафиксированная величина входного тока повторителя обусловлена токами утечки по печатной плате и между выводами металлокерамического корпуса. Для уменьшения входного тока допустимо применение металлостеклянных корпусов и экранирующих колец на печатной плате [14].
Ранее нами были выполнены экспериментальные исследования, которые подтвердили малую чувствительность параметров усилителей и компараторов, созданных на «АБМК-1.3» без применения горизонтальных p-n-p-транзисторов, к воздействию гамма- облучения и электронов с энергией 4 МэВ [15-16]. В связи с указанным ожидается высокая радиационная стойкость разработанной многоканальной микросхемы.

Заключение
Для предварительной обработки сигналов чувствительных элементов датчиков в соответствии с правилами проектирования радиационно-стойких биполярных микросхем разработана ИС, содержащая 4-канальный операционный усилитель и 2-канальный электрометрический повторитель напряжения.
Операционный усилитель характеризуется коэффициентом усиления – более 50000, частотой единичного усиления – 180 МГц, скоростью нарастания (спада) выходного напряжения при 10-кратном усилении - 140 (400,0) В/мкс, а повторитель напряжения обладает входным током – менее 100 пА и скоростью изменения выходного напряжения - 400,0 В/мкс.

Научные исследования проведены при выполнении гранта №14.В37.21.0781 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и задания 1.3.06 Государственной программы научных исследований «Электроника и фотоника» Республики Беларусь.

Литература:

1. Дворников, О.В. Радиационно-стойкие аналоговые микросхемы для датчиков / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Е.И. Старченко // Приборы и методы измерений. – 2011. – № 2 (3). – С. 41–50.
2. Радиационно-стойкий измерительный усилитель на базе мультидифференциальных входных каскадов / Крутчинский С.Г., Исанин А.С., Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г. // Электрон. научный журнал «Инженерный вестник Дона» СКНЦ ВШ ЮФУ. - 2012. - №3. – http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1045
3. Электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов / Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов В.Л., Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г. // Электрон. научный журнал «Инженерный вестник Дона» СКНЦ ВШ ЮФУ. - 2012. - № 4. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1338
4. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz / A. Budyakov, N. Prokopenko, K. Schmalz, C. Scheytt, P. Ostrovskyy // Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications – ECCSC’08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. – рр.50-53
5. Maximum rating of Voltage Feedback and Current Feedback Operational Amplifiers in Linear and Nonlinear Modes / Prokopenko N.N., Budyakov A.S., Savchenko J.M., Korneev S.V. // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications – ICCSC’06 / Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006.- pp.149-154.
6. Generalized Current Feedback Operational Amplifier / N. N. Prokopenko, E.M. Savchenko, A.S. Budyakov // Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications – ECCSC’08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008.- pp.87-90
7. Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем. ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». – Шахты : ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. – 208 с.
8. Схемотехника широкополосных усилителей в расширенном базисе n-p-n биполярных и р-канальных полевых транзисторов / Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Материалы Международного научно-практического семинара/ЮРГУЭС.- Шахты: ЮРГУЭС, 2002.- Часть 1.- С.94-105.
9. Дифференциальные каскады на основе полевых и биполярных транзисторов / Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., Сергеенко А.И. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сб. материалов Международного научно-практического семинара /Под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005.- С. 84-87
10. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника / Д.Е. Полонников. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 216 с.
11. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / У. Титце, К. Шенк. – М.: Мир, 1982. – 512 с.
12. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов : монография / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Соколов Ю.М., Прокопенко Н.Н. - Л.: «Энергия», 1979.- 148с.
13. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. – 231 с.
14. Дворников, О.В. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами / О.В. Дворников // Компоненты и технологии. – 2005. – № 6. – С. 218–221.
15. Дворников, О.В. Влияние гамма-излучения на элементы аналоговых интегральных схем / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Ю.В. Богатырев, С.Б. Ластовский // Доклады БГУИР. -2012. – №3 (65). – С. 56-62.
16. Дворников, О.В. Радиационно-стойкие аналоговые интегральные схемы / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Ю.В. Богатырев, С.Б. Ластовский // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2012 . Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2012. – С. 280-283