CC BY
81
Свизев Григорий Альбертович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 22; тел.: +79526036933; магистрант.
Svizev Grigory Albertovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; 22, Chekhova street, Taganrog, 347928, Russia; phone:
+79526036933; magister.
УДК 621.372
A.E. Титов РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА БАЗЕ МОУ
Проектирование радиационно стойких инструментальных усилителей требует применение не только радиационно стойких технологий производства, но и эффективных схемотехнических решений, направленных на стабилизацию работы устройства в условиях радиационного воздействия — потока нейтронов, дозы радиации и температуры. В работе представлены результаты проектирования для техники аналогового базового матричного кристалла АБМКрадиационно стойкого инструментального усилителя на базе структурно оптимизированных мультидифференциальных операционных усилителей и результаты его моделирования в среде PSpice.
Радиационно стойкий инструментальный усилитель; минимальный дрейф нуля; коэффициент ослабления синфазного сигнал; радиация; поток нейтронов.
A.E. Titov RADIATION-RESISTANT TWO-CHANNEL INSTRUMENTATION AMPLIFIER ON THE BASE MOA
Design of radiation-resistant instrumentation amplifiers requires application not only radiation-resistant technologies, but also effective circuit decisions directed on stabilization of work of the device in the radiating influence conditions — neutron flux, radiation dose, temperature. In work results of designing of the radiation-resistant instrumentation amplifier on the base multidifferetial operational amlifiers for techniques analogue base matrix chip ABMC and results of modeling in the PSpice environment are presented.
Radiation-resistant instrumentation amplifier; the minimum zero drift; CMRR; radiation; neutron flux.
Создание радиационно-стойких аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов (АИ и АЦИ) смешанных систем в корпусе (СвК), ориентированных на взаимодействие с чувствительными элементами (сенсорами) мостового типа всегда предполагает применение инструментальных усилителей (ИУ) как с фиксированными, так и управляемыми параметрами, выполняющих функции подавления синфазного сигнала и усиление дифференциального напряжения. Эти устройства являются основой как для аналоговых портов, так и для целого класса сложнофункциональных блоков (СФ-блоков) СвК. Как с экономической, так и с технической точек зрения такие СФ-блоки в виде полупроводниковых кристаллов целесообразно ориентировать на технику соответствующих аналоговых базовых матрич-( ),
ИС прошел биполярно-полевой АБМК [1]. Оригинальная топология макрофраг-
ментов, универсальные конструкции активных элементов и контактных площадок, хорошие частотные и шумовые характеристики, используемых п-р-п- и р-1ЕЕТ-транзисторов, позволяют реализовать на БМК широкий спектр аналоговых ИС. АБМК включает два идентичных канала, состоящих из двух макрофрагментов с фиксированным количеством расположенных на них элементов. Таким образом, номенклатура компонентов и структура макрофрагментов техники АБМК накладывает дополнительные ограничения на схемотехнику ИУ [2]. Но как показывает ,
обеспечить бесперебойную работу устройства в условиях радиационного воздействия свыше 50 крад. Поэтому необходимо дальнейшее развитие схемотехниче-,
при воздействии дозы радиации, потока нейтронов, температуры.
,
в себя три операционных усилителя и семь прецизионных резисторов (рис. 1).
Рис. 1. Классический инструментальный усилитель
Коэффициент передачи синфазного сигнала КС[[ в таком инструментальном усилителе зависит от погрешности соотношений резистивных элементов в структуре сумматора [3]:
Ксн=® к. (1)
Так в условиях радиационного воздействия изменение номиналов резистивных элементов для технологии АБМК составляет 1,5 %, что приведет к значительному (до 30 дБ) снижению коэффициента ослабления синфазного сигнала Коссн :
к
К — си
осей К ■ (2)
д
Поэтому при построении радиационно стойкого ИУ необходимо исключить резистивные элементы из структуры сумматора. Также погрешность синфазных напряжений исн на выходе операционных усилителей ОУ1 и ОУ2 зависит от погрешности отношения резисторов Кс1,Кс2 и г (см. рис. 1). Максимальное напряжение на выходах ОУ1 и ОУ2 будет определяться из следующих соотношений:
к к
ПоиО — исн —^иДИф,иои4_2 — исн + -^идиф, (3)
где исн - синфазное напряжение на выходе ОУ1 или ОУ2, идиф - дифференци-
альное напряжение на входе ИУ.
[3] ,
ОУ значение коэффициента передачи синфазного напряжения непосредственно
К .
Таким, образом, создание дифференциального сумматора, обеспечивающего прецизионное преобразование выходных напряжений (3), решает основную задачу повышения качественных показателей радиационно стойких ИУ.
Решением указанных проблем является использование в структуре радиационно стойкого ИУ мультидифференциального операционного усилителя (МОУ) (рис. 2). В этом случае дифференциальный коэффициент усиления инструментального усилителя определится соотношением
К = 2(1 + 2^) • -^, (4)
Г ^2
где Ии1, Ии2 - резисторы истоковых цепей р-ше транзисторов во входных дифференциальных каскадах МОУ [4]. Причем при их равенстве достигается мини-
3.
-Еп 1
Рис. 3. Особенность реализации ДН в МОУ
Особенности представленной архитектуры заключаются в использовании в каждом канале идентичных мультидифференциальных операционных усилителей, что позволяет:
1) -
фазных сигналов с погрешностью, обусловленной коэффициентом ослабления синфазного напряжения отдельных МОУ и, следовательно, заметно уменьшить требования к линейности их амплитудных характеристик и граничным напряжениям сумматора;
2) , -,
;
3) -
го коэффициента усиления и, следовательно, предельно повысить его чис-.
Указанные свойства схемы такого двухканального ИУ позволяют также использовать его структурные степени свободы для упрощения схем отдельных МОУ и повышения радиационной стойкости интерфейса в целом.
Применение такой структуры позволяет исключить резистивные элементы из структуры сумматора [3]. Таким образом, при радиационном воздействии Ксн ИУ не зависит от ©к в отличие от классической структуры
где Коссн. - коэффициент ослабления синфазного сигнала ьго МОУ.
Применение в каждом канале инструментального усилителя МОУ1 и МОУ2 ( . . 2) 1 2 ( . . 1)
синфазное напряжение исн и упростить входные каскады сумматора МОУ3.
, -ного усилителя определяется следующим соотношением:
С учетом того, что все МОУ, выполняется на одном кристалле, а МОУ3 используется только в качестве сумматора сигналов (Кд.м0у3=1), т0
идр.иу = Есм.моу3, поэтому при радиационном воздействии напряжение дрейфа
3.
, -
связано с разработкой нового типа мультидифференциальных ОУ [5] и требует пересмотра некоторых традиционных схемотехнических решений. Известно, что для технологии радиационно-стойкого АБМК наибольшей радиационной стойкостью обладают полевые р-1РЕТ-транзисторы и биполярные п-р-п-транзисторы, а наименьшей - боковые транзисторы р-п-р-типа [2]. При нейтронном облучении столкновения между нейтронами и атомами кремния приводят к появлению необратимых дефектов в кристаллическом решетке, уменьшающих время жизни неосновных носителей и их подвижность. В конечном счете, возникает деградация коэффициента усиления тока базы в схеме с общим эмиттером
где Р, Р0 - коэффициенты усиления тока базы после и до воздействия нейтронного излучения; т - время пролета неосновных носителей через базу; Б - плотность потока нейтронов; к - постоянная, зависящая от проводимости, удельного сопротивления полупроводниковых областей и уровня инжекции.
(5)
идр.ИУ _ идр.МОУ! идр.МОУ2 + идр.МОУ3 .
(6)
1 1 т-Б
(7)
Р Ро к ’
Таким образом, при построении мультидифференциальных операционных усилителей необходимо исключить возможность применения р-п-р-транзисторов в режимозадающих частях схемы. В разработанном радиационно стойком ИУ, реализация источников тока осуществлялась на п-р-п-транзисторах. Кроме того, были пересмотрены традиционные решения по проектированию динамических нагрузок (ДН). На рис. 3 показан вариант использования ДН на р-п-р-транзисторах с дополнительно введенным п-р-п-транзистором Т5 для стабилизации режимов работы при радиационном воздействии и компенсации изменения малосигнальных р-п-р- . -
, -
п-р-п- .
Кроме указных особенностей необходимо учитывать большое изменение тока, протекающего через полевые р-1ЕБТ-транзисторы при радиационном воздействии. Поэтому в структуре разработанного радиационно стойкого ИУ предусмотрена стабилизация этого тока в условиях воздействия радиации с помощью введенных дополнительных обратных связей. Кроме этого, увеличение тока способствует повышению линейности входных цепей МОУ при воздействии гаммы дестабилизирующих факторов (> 250 мкА).
Совокупность указанных особенностей позволила разработать набор мульти-
( . . 2).
Дифференциальный коэффициент ИУ задается отношением резисторов в ОС и может варьироваться от 20 дБ до 60 дБ. Результаты моделирования разработанного радиационно стойкого инструментального усилителя (Кд = 60дБ ) в среде РБрюе с
учетом воздействия гаммы дестабилизирующих факторов - потока нейтронов Бп, дозы радиации Б, а также изменение диапазона температур Т представлены в табл. 1. Достоверность соответствующих моделей проверена на практике.
Таблица 1
Радиационно-стойкий ИУ
Параметры Воздействие"— К*> дБ ґ гр_д ’ кГц ксн, дБ ґ гр_сн ’ кГц мкВ 1) , В/мкс МКС
Без воздействия 60 53 -140 1,5 -173 ,5 0,/ /1,3
Бп = 5е17 н/мл2 60 47 -140 1,3 -44 ./м 0у /1,4
Б = 100 крад 60 51 -140 1,26 -108 ,6 0Э/ у-ХА
Б = 500 крад 60 47 -140 1,29 -3 ,4 ООИЛ 0,/ /1,5
Т = -40 °С 60 58 -140 1,49 -5 8,9-"'" „-'"''6,4 0,/ /1,1
Т = + 80° С 60 44 -140 2,4 -287
Бп = 5е17 н/мл2, Б = 500 крад, Т = -40 ° С 60 52 -140 1,36 +163 8,3/ ./5,8 X
Бп = 5е17 н^л2, Б = 500 крад, Т = + 80 ° С 60 41 -140 2,45 -115 7/”" УЛ,9 Ж
Примечание: Кд - коэффициент усиления дифференциального сигнала, ґгр д - граничная частота К, Кн - коэффициент ослабления синфазного напряжения, ґгр сн -
граничная частота Кш, идр - напряжение дрейфа нуля усилителя, D - скорость нарастания импульса по положительному и отрицательному фронтам, tn - длительность переходного процесса, Еп =+/-5 В - напряжения питания, 1П - токи потребления.
Необходимо отметить, что в разработанном ИУ дрейф нуля как при любом из отдельно вышеперечисленных воздействий, так и при их суммарном воздействии не превышает 300 мкВ. Следовательно, учитывая, что уравнение для максимально допустимого напряжения дрейфа нуля для n-р^рядного аналого-цифрового преобразователя, используемого в АЦ-интерфейсе, имеет вид
идр = Ео- , (8)
где Е0 - опорное напряжение. Тогда если Е0 = 2,5 В, то разработанный ИУ можно использовать в микроэлектронных схемах с 12-р^рядным АЦП с предельной .
Интеграция предложенных в данной работе схемотехнических решений в структуру разработанного радиационно стойкого инструментального усилителя позволила получить высокие качественные показатели этого устройства при воз-
( . . 1).
, -ях ( 500 крад < D < 1 Мрад ) для чего необходимо дополнительно изменить режимы работы ряда активных элементов, при этом потребление тока увеличится.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прокопенко HT., Старченко ET., Крутчинский СТ., Титов АТ. и др. Каталог разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники. - Шахты: Изд-во ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. - 479 с.
2. . ., . . -функциональными возможностями // Chip News. - 1999. - № 2. - С. 21-23.
3. . . -
стойких систем на кристалле // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № 1 (102). - С. 64-70.
4. . ., . ., . .
мультидифференциальных операционных усилителей с высоким ослаблением синфаз-. // 2010. / . .
. . . - .: , 2010. - . 537-543.
5. . ., . .
( ) // . -
ки. - 2009. - № 5 (94). - C. 72-81
. . ., . . .
Титов Алексей Евгеньевич - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: 88634371773; аспирант.
Titov Alexey Evgen’evich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone:
+78634371689; postgraduate student.
