Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
И. САМКОВ
Научный руководитель проф. Т.М. АГАХАНЯН
Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)
2006
СОДЕРЖАНИЕ
|
1.Основные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем.
|
3 |
|
2. Радиационные эффекты в усилительных и дифференциальных каскадах 2.1. Усилительные каскады. 2.2. Дифференциальные каскады. 2.2.1. Моделирование эффектов в дифф-каскадах. 2.2.2. Влияние ИИ на шумовые характеристики. |
5 |
|
3. Радиационные эффекты в ИОУ 3.1. Воздействие ИИ на параметры ИОУ. 3.2. Критериальные параметры. 3.3. Проектирование радиационно-стойких ИОУ. 3.4. Прогнозирование эффектов воздействия ИИИ на ИОУ. 3.5. Имитационные испытания. 3.6. Уменьшение ВПР электронной аппаратуры. |
8 |
|
5. Список использованной литературы. |
15 |
Основные радиационные эффекты в элементах аналоговых интегральных микросхем.
Классификация радиационных эффектов.
Воздействие ионизирующих излучений (ИИ) на какое-либо вещество сопровождается выделением энергии частицей ИИ. Дальнейшая релаксация полученной энергии и распределение её по объёму вещества происходят в форме различных радиационных эффектов. Принято выделять два вида основных эффектов: смещения (обусловленные смещением атомов из своего нормального положения) и ионизации (связаны с образованием свободных носителей заряда под действием ИИ).
Реакция интегральных микросхем (ИМС) на ионизирующее излучение обусловлена, в первую очередь, зависимостью параметров её элементов от эффектов смещения и ионизации. В свою очередь, конкретный вид энерговыделения (однородное, равновесное и т.п.) может приво дить к появлению различных эффектов в микросхеме, особенно сти проявления которых определяются специфическими для нее технологическими и схемотехническими решениями. По причине возникновения эти эффекты можно подразделить на первичные - обусловленные непосредственно энергией излучения, поглощен ной в ИМС (дефекты смещения, модуляция проводимости и т.п.), и вторичные - обязанные своим происхождением инициирован ному излучением перераспределению энергии внутренних и сто ронних источников (радиационное защелкивание, вторичный фо тотек, пробой и т.п.).
С точки зрения функционирования ИМС в аппаратуре в зависимости от соотношения между длительностью воздействия излучения Ти и временем релаксации вызванного им возбуждения в системе Трел разли чают остаточные (долговременные Трел>>Ти) и переходные (кратковременные Ти>Трел) изменения параметров приборов.
Одним из основных параметров, характеризующих переход ные ионизационные эффекты в элементах ИМС при равновесном энерговыделении, является величина ионизационного тока р-n-переходов, который можно представить в виде двух составляю щих: 1)мгновенная составляющая, связанная с дрейфом избыточных носителей из обедненной области перехода;
2)запаздывающая составляющая, связанная с диффузией и дрейфом неравновесных носителей заряда из областей, прилегающих к обедненной области р-n-перехода. Соотношение амплитуд запаздывающей и мгновенной со ставляющих определяется параметрами р-n -перехода.
Долговременные изменения параметров транзисторов обу словлены эффектами смещения и ионизации.
Эффекты смеще ния, связанные с изменением кристаллической структуры полу проводника вследствие перемещения атомов из своего положе ния, вызывают изменение электрофизических свойств полупро водника: времени жизни, подвижности носителей заряда и их концентрации. Соответственно изменяются и параметры транзи сторов, определяемые указанными величинами.
Эффекты ионизации, связанные с накоплением заряда в ди электрических слоях и изменением плотности поверхностных состояний при ионизации полупроводника, также приводят к де градации параметров транзисторов.
Действие облучения на транзисторы удобно установить на основании его физических параметров, характеризующих про цессы в транзисторной структуре.
Действие облучения на биполярные транзисторы.
Физические параметры биполярного транзистора можно разбить на четыре группы:
1)Параметры, характеризующие диффузию и дрейф неосновных носителей,
2)Параметры, характери зующие рекомбинацию и генерацию,
3)Параметры, определяющие изменение пространственного заряда в области p-n- переходов и его влияние на характеристики транзисторов (это зарядные емкости коллекторного и эмиттерного переходов, а также емкость изолирующих p-n-переходов)
4)Параметры, характеризующие падение напряжения в объеме полупроводника и включающие объемные сопротивления эмиттера, базы и коллектора, а при высоких уровнях инжекции также диффузионное падение напряжения (ЭДС Дембера).
Ионизирующие излучения влияют на все физические параметры транзи стора, однако перечень параметров, подлежащих учету, зависит от конкретных условий применения.
Действие облучения на униполярные транзисторы.
Влияние ионизирующего излу чения на параметры униполярных транзисторов как с управляющим p-n-переходом, так и МДП - структур в основном проявля ется в виде изменений тока затвора I3, порогового напряжения Uзи.пор (для МДП - транзисторов с индуцированным каналом) или напряжения отсечки Uзи.отс (для транзисторов с управляющим р-п-переходом и со встроенным каналом) и крутизны характеристики транзистора Sст. Претерпевают изменение также дифференциаль ные параметры: сопротивление затвора rз, внутреннее сопротив ление транзистора ri.
В отличие от биполярных транзисторов в униполярных тран зисторах ток в канале образуется потоком основных носителей, поэтому заметные изменения характеристик униполярных тран зисторов, обусловленные действием эффектов смещения, наблю даются при уровнях облучения, способных существенно повли ять на подвижность основных носителей и их концентрацию. Для кремниевых ИМС при облучении нейтронами это происходит при флюенсах, превышающих 1015-1016 нейтр./см2. Вместе с тем приповерхностный характер происходящих в МДП-транзисторах процессов обусловливает их сильную чувствительность к иони зационным эффектам, действие которых, прежде всего, свя зано с накоплением положительного пространственного заряда в слое подзатворного диэлектрика, модулирующего проводимость канала МДП-транзистора.
Специфика эффектов в зависимости от конструктивно-технологических особенностей ИМС.
Специфика проявления радиаци онных эффектов во многом определяется конструктивно-технологическими особенностями ИМС и в некоторых случаях различается для схем низкой и высо кой степени интеграции. В частности, для интегральных структур малой и средней степени интеграции, к числу которых относятся аналоговые ИМС, можно пренебречь неравновесностью энерго выделения, более слабо проявляются дозовые эффекты в бипо лярных структурах и т.п.
Уменьшение размеров структур в условиях радиационного воздействия также приводит к принципиальным изменениям физики работы приборов. Эти изменения связаны с тем, что: 1) характерные пространственные масштабы изменения электрического поля сопоставимы с длинами релаксации энергии и импульса электронов и длиной свободного пробега электронов; 2) характерные размеры рабочих областей приборов сравнимы с расстоянием между кластерами радиационных дефектов (КРД); 3) характерные размеры рабочих областей приборов сопоставимы с размерами КРД; 4) ионизирующее излучение разогревает электронный газ, который не успевает остывать за времена пролета рабочей области приборов; 5) при облучении нейтронами происходит перестройка протонированных изолирующих областей ИС, что сказывается на процессах протекания тока и фоточувствительности; 6) взаимодействие ионизирующих излучений (особенно лазерных) с нанометровыми металлическими объектами имеет особенности; 7) радиационные технологические процессы (например, геттерирование) существенно изменяют электрофизические характеристики полупроводника, что заметным образом сказывается на процессах формирования радиационных дефектов в субмикронных приборах; 8) электроны, разогнанные до энергий 0,5...1 эВ большими электрическими полями (~ 100 кВ/см) в субмикронных приборах, могут проникать сквозь КРД, что принципиально меняет подход к моделированию радиационной стойкости приборов.
Радиационные эффекты в усилительных и дифференциальных каскадах.
Усилительные каскады.
В качестве простейших усилитель ных каскадов применяют каскады с общим эмиттером (ОЭ) и общим истоком (ОИ). Отклонение тока коллектора ΔIк от своей номинальной величины, обусловленное действие стационарных эффектов смещения и ионизации, можно уменьшить увеличением глубины обратной связи, что приводит к уменьшению как коэф фициента нестабильности, так и чувствительности схемы.
Усилительные параметры каскада ОЭ: его коэффициент уси ления по напряжению входное и выходное сопротивление изме няются главным образом из-за уменьшения коэффициента пере дачи тока базы N. Высокочастотные параметры каскада ОЭ при облучении улучшаются из-за уменьшения , и Ск.
В каскаде ОИ отклонение тока стока ΔIк от своей номиналь ной величины, вызываемое радиационными эффектами, опреде ляется изменением смещения на затворе, сдвигом напряжения отсечки и изменением статической крутизны характеристики.
Усилительные характеристики каскада ОИ изменяются из-за изменений крутизны характеристики транзистора S, его входного и выходного сопротивлений. Постоянные времени
вх СвхRг ; вsх Сн.выхRсн
характеризующие высокочастотные свойства каскада ОИ, могут изменяться, если наблюдается заметное изменение паразитных емкостей Свх и Сн.вых которые складываются из межэлектродных емкостей транзистора, емкостей монтажных площадок и емкости нагрузки.
Дифференциальные каскады.
Принято считать, что стойкость аналоговых интегральных микросхем к спецвоздействиям оп ределяется, прежде всего, радиационными эф фектами во входных каскадах, в качестве кото рых, как правило, применяют дифференциаль ные каскады (за исключением трансимпедансных ИОУ). В дифференциальном каскаде приведенное ко входу откло нение выходного напряжения от своей номинальной величины, вызываемое действием эффектов смещения и ионизации, опреде ляется формулой
(где Kвл.ип коэффициент влияния нестабиль ности напряжений источников питания, обусловленных радиаци онными эффектами)
Представленное соотношение применимо для диффе ренциальных каскадов, включенных в аналоговые ИМС с изоля цией диэлектрической пленкой. В ИМС с изоляцией р-п-переходом в ряде случаев требуется учет паразитного р-п-р-транзистора, образуемого базовым и коллекторным слоями рабо чего транзистора и подложкой ИМС.
Благодаря высокому коэффициенту по давления синфазных сигналов, образуемых пере падами ионизационных токов как на входах, так и на выходах, разность выходных напряжений и входной ток сдвига из меняются незначительно. Поэтому отклонение выходного напряжения от нуля определяется не входным дифференциальным каскадом, а реакцией последующих каскадов.
Существенно меняется входной ток смещения; это ток, который определяется не разностью токов, а их средним значени ем, изменение которого определяется изменением N. Отклонение выходного напряжения происходит также из-за радиацион ной нестабильности тока в эмиттерах.
В аналоговых ИМС с дифференциальным каскадом на входе в качестве пары используют униполярные транзисторы с управ ляющим p-n-переходом. При этом токи затворов определяются токами обратносмещенных p-n-переходов — затворов. Как из вестно, МДП-транзисторы обладают меньшим входным током, чем транзисторы с управляющим p-n-переходом. Однако МДП-транзисторы очень чувствительны к импульсным помехам, по этому при использовании их во входных каскадах требуется за щита входов диодами, токи утечки которых сводят на нет пре имущества МДП-транзисторов. Необходимость диодной защиты отпадает в ИМС с внутрисхемной связью входа аналоговой части схемы с предшествующими схемами. При этом использование МДП-транзисторов в качестве дифференциальной пары позволя ет заметно уменьшить Iвхсм и Iвх.сд определяемые токами утечки диэлектрических затворов.
Действие переходных ионизационных эффек тов можно оценить при помощи моделей диффе ренциальных каскадов на биполярных транзис торах (рис. 1а) и униполярных транзисторах с уп равляющим p-n-переходом (рис. 16).
Рис. 1. Модели дифференциальных каскадов для анализа переходных ионизационных эффектов: (а) - на биполярных транзисторах; (б) - на униполярных транзисторах с управляющим p-n-переходом.
В этих схемах фототоки источников стабилизированного тока I0 непосредственно не учитываются, так как их дей ствие подавляется (так же как действие всяких синфазных помех). Косвенное влияние этих фо тотоков, приводящее к изменению тока I0 в эмит терах или истоках транзисторных пар, удобно учитывать наряду с другими причинами измене ния этого тока, представив, что при облучении
ток I0 изменяется в (1 + ф) раз (где ф - коэффи циент изменения тока I0).
В модели на рис.1,а действие фототоков, об разуемых потоком носителей через коллектор ные переходы, которые генерируются в базах транзисторных пар Т1 и Т2, учитываются посред ством источников тока Iфкп1 и Iфкп2 (влиянием фо тотоков, образуемых потоком носителей через эмиттерные переходы Т1 и Т2, пренебрегаем). Фототоки, которые возникают в коллекторных слоях транзисторов Tl, T2 и прилегающих к ним областях подложки с изолирующими р-п-переходами, учитываются источниками токов, шунтиру ющих коллекторные и эмиттерные переходы па разитных транзисторов ТП1, ТП2 и источниками фототоков Iфип1, Iфип2. Для упрощения моделей аналогичные паразитные транзисторы, связан ные диффузионными резисторами, не показаны.
В модели на рис.1,б учтены фототоки, возни кающие в каналах транзисторов Tl, T2 и прилегающих к каналам слоях подложки и изолирующих р-n-переходах. Действие ионизирующих излуче ний приводит к отклонению от нуля выходного напряжения дифференциального каскада.
Влияние ионизационных эффектов, вызывае мых воздействием электронного, высокоэнерге тического нейтронного и -излучений, проявля ется прежде всего в виде заметного увеличения токов утечки и канальных токов, что приводит к росту входных токов смещения Iвх см и сдвига Iвх сд. Происходит также уменьшение коэффициента пе редачи тока базы N, влияющее как на точностные характеристики каскада, так и на его усилитель ные параметры. Может происходить заметное из менение выходных потенциалов каскада вследст вие роста тока I0 стабилизированного источника.
Анализ влияния поверхностных ионизацион ных эффектов требует более подробной инфор мации о топологических и технологических осо бенностях изготовления элемента ИМС, а также об изменениях заряда в приповерхностных слоях. Для этого обычно используют тестовые структуры.
Как показывает анализ, приведенное к входу импульсное отклонение собственного выходного напряжения дифференциального каскада (а не всего ИОУ) от номинальной величины оказыва ются не столь заметными, несмотря на сущест венное увеличение входных токов ИОУ при им пульсном воздействии.
В литературе отмечается, что отклонение вы ходного напряжения ИОУ от нуля при спецвоз действии обусловлено не изменением выходных потенциалов дифференциальных каскадов, а в ос новном происходит из-за нарушения режима по постоянному току выходных повторителей, при чем это отклонение имеет одну и ту же поляр ность, т.е. выходное напряжение отклоняется в сторону положительного источника питания. Экс периментально было проверено, действительно ли влияние фототоков в выходных повторителях яв ляется определяющим.
Влияние ИИ на шумовые характеристики дифф-каскада.
В каскадах на биполярных транзисторах в области средних и высших частот шумо вого спектра, где преобладают дробовой шум токораспределения iш.к и тепловой шум объемного сопротивления базы eш.б, при облучении уровень шумов возрастает в результате деградации коэффициента пере дачи тока базы и увеличения объемных сопротивлений.
Влияние теплового шума сопро тивления коллекторного слоя eшк, а также шумовых сигналов паразитного транзистора iшфи, iшfи не так существенно. В области низ ших частот преобаладают шумы со спектром 1/f, а также низкочастотные шумы фототоков. Анализ низкочастотных шу мов усложняется тем, что их изменение при облучении определяется не только объемными эффектами, но и поверхностными. Действие ионизирующих излучений приводит не тоолько к повышению уровня низкочастотных шумов, но также к увеличению граничной частоты fш, т.е. к сдвигу их спектральной плотности в область более высоких частот.
В дифференциальных каскадах на униполярных транзисторах в об ласти средних и высших частот, где преобладают тепловой шум ка нала iшс и дробовой шум тока затвора iш.з шумы при облучении воз растают из-за уменьшения крутизны характеристики транзистора S и увеличения тока затвора вследствие роста тока генерации в управ ляющем р-n-переходе. Возрастают также низкочастотные шумы, об условленные флуктуациями заряда токов генерации—рекомбинации в обедненном слое изолирующего р-n-перехода. При этот относитель ное увеличение шумового сопротивления практически не зависит от частоты.
Уровень собственных шумов каскада повышается из-за шумов фото токов, особенно при высоких импедансах источника сигнала.
Уровень шумов дифференциального каскада зависит также от схе мы подачи входного сигнала и съема выходного напряжения. На практи ке нередко подают сигнал только на один из входов каскада По отношению к этому входу интенсивность первичного шумового на пряжения возрастает.
Сравнение дифференциальных каскадов на биполярных и униполяр ных транзисторах по их шумовым показателям в области средних час тот показывает, что в первых из них при работе от источников с Rг >> 103 Ом уровень шума выше. Следует иметь в виду, что каскады на униполярных транзисторах менее критичны к выбору оптималь ного сопротивления источника входного сигнала, а поэтому изме нение условия оптимальности при облучении не приводит к дополни тельному увеличению шума.
Радиационные эффекты в ИОУ.
Воздействие ИИ на параметры ИОУ.
Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют собой высококачественные прецизионные усилители, которые относятся к классу универсальных и многофункциональных аналоговых микро схем. Радиационная стойкость аналоговых ИМС определяется не только влиянием ионизирующих излучений на характеристики элемен тов микросхемы, но она зависит также от структуры ИМС и схемотехнических особенностей. Поскольку боль шинство современных аналоговых ИМС построены по структуре ИОУ, то на их примере можно выяснить влияние радиационных эффектов на характеристики аналоговых микросхем.
Специализированные ИОУ частного применения, к числу ко торых относятся микросхемы с повышенным входным сопротив лением, прецизионные и микромощные ИОУ, быстродействую щие усилители [11], обычно более чувствительны к остаточным радиационным эффектам, так как схемотехнические и технологи ческие меры, применяемые для достижения предельных возмож ностей по каким-либо параметрам, как правило, приводят к сни жению их радиационной стойкости. Особенно чувствительны к воздействию облучения ИОУ при работе в микрорежиме. Это объясняется тем, что в микрорежиме деградация параметров транзисторов происходит при более низких флюенсах.
Причиной нарушения нормальной работы ИОУ являются также переходные ионизационные эффекты, обусловленные об разованием мощных импульсов фототоков во всех областях кри сталла, включая не только области, где формированы рабочие транзисторы, диодные структуры, диффузионные резисторы, но также изолирующие и приповерхностные слои ИМС. Изоляция р-n-переходами является серьезным недостатком ИОУ, работаю щих в полях ионизирующих излучений. Воздействие γ-излучения, электронного и высокоэнергетического нейтронного (Е„ > 14 МэВ) излучений приводит к образованию через изоли рующие p-n-переходы мощных фототоков, которые могут быть причиной нарушения электрической изоляции р- и n-областей, возрастания рассеиваемой мощности, возникновения тиристорного эффекта, пробоя как в рабочих, так и в паразитных транзисто рах. Значительный вклад в образование фототоков вносят участ ки подложки, прилегающие к изолирующим p-n-переходам. По этому эти токи можно заметно уменьшить легированием подложки с тыльной стороны золотом, уменьшающим время жизни но сителей в подложке. Наиболее эффективным способом уменьше ния фототоков является применение диэлектрической изоляции, а также использование пленочных резисторов вместо диффузион ных.
Воздействие ионизирующего излучения сказывается также на частотных и импульсных характеристиках ИОУ в области ма лых времен. При облучении, создающем объемные структурные повреждения, частота единичного усиления для некорректированного ИОУ меняется незначительно вплоть до флюенсов 1015 нейтр./см2 и более. Верхняя граничная частота для боль шинства ИОУ возрастает, что объясняется уменьшением коэф фициентов усиления каскадов, вследствие чего уменьшается влияние паразитных емкостей. Эти изменения приводят к сниже нию запаса устойчивости, oднако поскольку в реальных условиях послед няя тоже уменьшается, то в итоге при облучении самовозбужде ние ИОУ маловероятно.
Критериальные параметры для оценки стойкости ОУ.
Как правило, нормативная документация (НД) на ИОУ устанавливает отклонение выходного на пряжения от нуля ΔUвх от, приведенного ко входу, в качестве критериального параметра при опреде лении уровня бессбойной работы (УБР) и времени потери работоспособности (ВIIP) при воздействии импульсного ИИ.
Типовая схема включения по НД для контроля параметра ΔUвх.от показана на рис.2, причем коэффициент усиления схемы Ки выбира ется в диапазоне от 10 до 1000 без должного обос нования. Напряжение отклонения от нуля рассчи тывается по упрощенной формуле:
ΔUвх.от = ΔUвых/ Ku.
Критерий работоспособности ИОУ по пара метру UBX для определения УБР и ВПР задается выражением
ΔUвх.от ΔUвх.от норм или ΔUвых ΔUвх.от нормKu
Как показали эксперименты, в зависимости от технологии существенно различаются чувствительность к воздействию стационарного ИИ того или иного параметра однотипных ОУ, различаются зависимость АЧХ от величины поглощенной дозы, уровень катастрофического отказа, характер изменения напряжения смещения нуля и др. Так, например, уровень катастрофического отказа ОУ 140УД17 различается на порядок в зависимости от предприятия изготовителя. В связи с этим один и тот же тип ОУ мог соответствовать либо нет нормам ТУ. Т.о. очевидна невозможность прогнозирования радиационного поведения ОУ по результатам исследования схем того же типа, но другого конструктивно-технологического исполнения. Более того, подтверждается неинформативность использования одного и того же критериального параметра для сравнительной оценки радиационной стойкости всех ОУ, т.к. критериальный параметр, т.е. наиболее чувствительный к воздействию того или иного типа ИИ, определяется технологией изготовления микросхемы.
Ниже приведена таблица параметров, реагирующих на воздействие ИИ для некоторых усилителей.
|
Марка ОУ |
Параметры ОУ, подверженные радиации |
|
OP 400 |
+Ib, -Ib, Gain_2k, Slew Rate |
|
OP 467 |
+Ib, -Ib, Icc, Voh_2k |
|
AD 620 |
+Ib, -Ib, PSRR_pos, +Swing, all of gain_errors |
|
AD 845 |
Icc, P_PSRR_A, Vol |
|
LF 147 |
None |
|
LF 155a |
+Ib, -Ib |
|
LMC 6464 |
+Ib, -Ib, Ios, Voh_100k A-D, Vol_100k A-D, Slew Rate A-D, GBW A-D |
|
OP 07 (0,14R(Si)/s) |
VOS, P_IIB, N_IIB, IIOS, CMRR, P_AOL_2k, N_AOL_2k, Slew Rate |
|
OP 07 (0,58R(Si)/s) |
VOS, P_IIB, N_IIB, IIOS, CMRR, PSRR, VOUT, AOL, Slew Rate |
|
OP 15 |
VOS, +Ibias, -Ibias, Iio |
|
OP 27 |
VOS, P_IIB, N_IIB |
|
OP 77 |
VOS_0V, P_IIB_0V, N_IIB_0V |
|
OP 270 |
+Ib_A, -Ib_A, +Ib_B, -Ib_B, Ios_A, Ios_B, Open Loop Gain B |
|
PA07M/883 |
Voffset |
|
LM 10 |
VOS, P_IIB, N_IIB, IIOS, CMRR, PSRR, AOL, ASH, REF GAIN, V_FB, I_FB, Line Reg, Load Reg |
|
OP 07A |
VOS_0V, P_IIB_0V, N_IIB_0V, P_AOL, N_AOL, IIOS_0V, CMRR, +PSRR, -PSRR |
|
AD 645 |
vio |
Из представленного материала, подтверждае мого многочисленными экспериментами, следует, что напряжение смещения нуля, определяемое как приведенное к входу выходное напряжение не яв ляется информативным параметром при опреде лении уровня бессбойной работы ИОУ при воз действии импульсных спецфакторов. Более ин формативным показателем стойкости ИОУ при воздействии ИИИ является время потери работоспособности (ВПР), определяемое по уменьшению отклонения выходного напряже ния до заданного уровня.
Выбор общего критерия работоспособности для определения УБР и ВПР, отражающего спо собность ИОУ усиливать сигнал с заданной точ ностью, можно осуществить только условно без привязки к конкретному применению ИОУ. Пря мая оценка по наихудшему случаю (например включение ИОУ без ОС) также неинформатив на, так как при этом получаются заведомо завы шенные значения ВПР. Однако предварительные оценки показывают, что в этом случае возможен пересчет полученных значений ВПР к конкрет ной схеме включения.
Проектирование радиационно-стойких ИОУ.
На этапе проектирования проблему повыше ния радиационной стойкости аппаратуры наибо лее эффективно можно решить соответствую щим выбором способа коррекции переходных и частотных характеристик усилителя. Наи лучшие результаты получаются при включении быстродействующего канала (см.рис.3) параллельно наибо лее инерционному каскаду интегрального операци онного усилителя, а наихудшие результаты при коррекции интегрирующим конденсатором Скор, подключаемым между выходом и входом каскада промежуточного усилителя в микросхеме.
Рис.3. Аналоговое устройство на АИМС с параллельным бы стродействующим каналом:
а - структурная схема;
б - схема замещения
Включение быстродействующего канала при определенных условиях существенно повышает быстродействие интегрального операционного усилителя и, соответственно, частоту единичного усиления f1ис. Это позволяет, используя низкочастотную микросхему с повышенной радиационной стойкостью, спроектировать быстродействую щий усилитель, способный работать нормально при заметно большем уровне ионизирующего из лучения. Этот способ коррекции одновременно позволяет на порядок и более сократить продол жительность ВПР усилителя. Реализация этого способа коррекции возможно только у интегрального операционно го усилителя с дополнительными выводами для подключения корректирующего конденсатора (как, например микросхема LM101A и ее аналог 153УД2). При этом быстродействующий канал, подключаемый к указанным выводам, строят на дискретных элементах. Указанными особеннос тями реализации объясняется ограниченное при менение этого способа коррекции.
Включение корректирующего конденсатора Скор, во-первых, приводит к уменьшению импульс ной добротности интегрального операционного усилителя в (1 + Скор/Сис)1/2 раз и, соответственно ча стоты единичного усиления f 1кор. При этом прихо дится использовать более высокочастотные мик росхемы, которые, как правило, обладают мень шей радиационной стойкостью. Во-вторых, оно сопровождается заметным увеличением коэффи циента передаточной функции интегрального операционного усилителя
b1кор = СкорRкор.эк + b1ис величиной которого лимитируется (для предот вращения перегрузки по входу) наибольшая амп литуда выходного напряжения усилителя.
Кроме этого происходит увеличение ВПР в b1кор / b1ис раз (причем часто 1кор / b1ис > 10) Возрастает амп литуда отклонения выходного напряжения при ИИИ. Необхо димо учитывать еще один недостаток коррекции интегрирующим конденсатором, заключающим ся в следующем. Если из-за радиационного воз действия сопротивление Rкор.эк уменьшается на столько, что оно становится меньше Rкор.эк < (b2исF)1/2/Cис, то выбранная микросхема оказывается непригод ной для обеспечения заданного усиления Кu с тре буемым быстродействием. При этом требу ется выбирать более высокочастотный интег ральный операционный усилитель (независимо от того коррекция внутренняя или внешняя).
Наиболее простым и, одновременно, достаточно эффективным способом коррекции является вклю чение в канал обратной связи резистивно-емкостной цепи (см. рис.4).
Этот способ коррекции ли шен тех недостатков, свойственных коррекции по средством Скор, и по своей эффективности уступает только коррекции включением быстродействую щего канала. Коррекция резистивно-емкостной це пью особенно эффективно в усилителях на трансимпедансных ИОУ.
В настоящее время большинство ИОУ выпускаются с внут ренней коррекцией, в которых Скор обеспечивает нормальную работу микросхемы с обратной свя зью при коэффициенте усиления Ки, не меньше указанном в справочнике значения (Ки = 1;2;5;10). При радиационном воздействии эффективность влияния Скор ослабляется из-за уменьшения Rкор.эк, что необходимо учитывать при проектировании усилителей, ориентируясь на большее значение Ки и, соответственно, меньшую глубину обратной связи, с тем, чтобы исключить возможность само возбуждения ИОУ.
Отметим, что и в ИОУ с внутренней коррекцией целесооб разно включение в канал обратной связи резис тивно-емкостной цепи, которая позволяет до неко торой степени исправить недостатки, обусловлен ные внутренней коррекцией. Такой подход просто необходим при использовании трансимпедансных усилителей с внутренней коррекцией.
Следующий вопрос, требующий решения на этапе схемотехнического синтеза, это - выбор ви да обратной связи. Выбор ОС по на пряжению или по току решается в зависимости от назначения усилителя. В выходных усилителях, предназначенных для формирования импульсных сигналов с крутыми перепадами в высокоомной нагрузке с емкостной реакцией, лучшие результаты получаются при обратной связи по напряжения. В усилителях с токо вым выходом, формирующих мощные им пульсы тока с крутыми перепадами в низкоомной нагрузке с индуктивной реакцией, включают об ратную связь по току.
Выбор последовательной ОС или параллельной однозначно решается в пользу пер вой из них по следующим причинам. Во-первых, при заданной глубине обратной связи F схема с последовательной обратной связью обеспечивает усиление на единицу больше, чем при параллель ной обратной связи. В этом нетрудно убедиться, рассматривая приближенные формулы, опреде ляющие коэффициенты усиления:
Kunoc 1+R1/R2 и Kunoc 1+R1/Rд (*) где Rl и R2 - сопротивления резисторов в каналах обратной связи; Rд - выходное сопротивление датчика, напряжение которого усиливается. Из анализа соотношений (*) следует второй недостаток параллельной обратной связи, связан ный с отклонением коэффициента усиления от номинальной величины, которое происходит из-за изменения сопротивления датчика Rд.
Ku/Ku = R1/ R1 – R2/ R2
Это особенно опасно в аппаратуре, предназначен ной для работы в длительное время в условиях ра диационного воздействия, когда требуется уста новить деградацию параметров элементов схемы в зависимости от времени регистрации выходного напряжения усилителя. Что касается влияния из менений сопротивлений резисторов R1 и R2, то при соответствующем выборе резисторов (напри мер, пленочные резисторы) можно существенно уменьшить их рассогласующее действие при ра диационном воздействии. В-третьих, так же как деградация сопротивлений Rд, R1 R2 влияет на точность усиления в области средних частот, из менение емкостей СД, С1 С2, под воздействи ем радиации приводит к отклонению выброса на вершине импульса или неравномерности АЧХ от номинальной величины, причем если в схеме с по следовательной обратной связью отклонения С1 и С2 можно существенно уменьшить, то деграда ция СД определяется видом датчика.
В-четвертых, в схеме с параллельной ОС имеется всего две степени свободы (С1 и R1), тогда как при последовательной обратной связи их четыре: R1 С1 R2, С2. Это существенное преимущество вообще, а в схемах, работающих при спецвоздействиях - в особенности, так как эти степени свободы позволяют проводить пара метрическую оптимизацию схемы, обеспечивая тем самым значительное улучшение характерис тик усилителя в области малых времен или выс ших частот.
Преимущества последовательной обратной связи особенно ярко проявляются в предусилителях с противошумовой коррекцией и зарядо-чувствительных усилителях на малошумящих ин тегральных операционных усилителях.
Насколько эффективны рекомендуемые спосо бы улучшения сигнальных характеристик усили телей, предназначенных для длительной эксплуа тации в условиях стационарного радиационного воздействия, можно иллюстрировать на примере импульсного усилителя с коэффициентном усиле ния Ки = 10 на микросхеме 153УД2. Чтобы исклю чить самовозбуждение схемы потребовалось уве личить емкость корректирующего конденсатора (Скор = 70 пФ) и ограничить значение коэффици ента d2 (F - глубина OC). При этом время нарастания фронта переходной характеристики tн = 0.7 мкс при выбросе на вершине импульса 1 = 4.3%.
При реализации такого усилителя с коррекци ей RC-цепью (см. рис.4) время нарастания фронта удалось уменьшить в 5.4 раза, т.е. оно ста ло равным 0.13 мкс при выбросе = 2.9%.
Проверка на импульсные перегрузки по вход ной цепи, лимитирующие наибольшую амплиту ду выходного импульса Uвыхтиб, показала, что в схеме с Скор Uвьшпнб < 170мВ, тогда как примене ние RC'-цепи позволило увеличить Uвыxmn6 в 8 раз, т.е. воспроизводить импульсы с крутыми перепа дами наибольшей амплитудой Uъыхтнб = 1.35В!
Чтобы можно было реализовать усилитель с Ки= 10; tн = 0.13 мкс применением коррекции инте грирующим конденсатором Скор, то надо было ис пользовать интегральные операционные усилители с частотой единичного усиления f1ис = 38 МГц, т.е. в 5.4 раза большей f1ис, чем у 153УД2. При этом на ибольшую амплитуду Uвыхотнб все равно не удается увеличить до уровня 1.35В. Учитывая, что более высокочастотная схема, как правило, менее радиационно-стойкая, то достоинства радиационных средств - очевидны! Аналогичные результаты получены и в широ кополосных усилителях.
Уменьшение ВПР электронной аппаратуры.
Эта проблема возникает при проектировании электронной аппаратуры, предназначенной для работы в условиях кратковременного воздейст вия мощного ионизирующего импульса, приводя щего к сбою работы устройства или нарушению его нормального режима. При этом происходит существенное отклонение выходного напряже ния интегрального операционного усилителя от нуля Uвых, амплитудой которого определяется уровень бессбойной работы аппаратуры, а време ни спада Uвых до уровня, когда восстанавлива ется нормальная работа усилителя, устанавлива ется время восстановления работоспособности.
Как показывают исследования, продолжи тельность ВПР в значительной степени определяется передаточной функцией усилителя: она уменьша ется с увеличением глубины ОС F и с уменьшением коэффициентов передачи b2кор и b1кор. Поэтому и в данном случае коррекция инте грирующим конденсатором Скор приводящую к увеличению b2кор=b2ис(1+Скор/Сис) в (1+Скор/Сис) раз, а b1кор=b1ис+СкорRкор.эк на величину СкорRкор.эк сопровождается ухудшением показате лей усилителя, характеризующих его радиацион ную стойкость: происходит существенное увели чение ВПР и некоторое возрастание уровня бессбойной работы, определяемое увеличением амплиту ды Uвых.
Заметное сокращение времени восстановления работоспо собности и увеличение уровня бессбойной работы происходит опять же при коррекции RC-цепью в канале обратной связи.
Т.е. по всем характеристикам в условиях ионизирующих спецвоздействий более целесообразным является использование ИОУ с коррекцией резистивно-емкостными связями в канале после довательной ОС.
Список литературы.
Рис. 2. Схема включения ИОУ для определения от клонения выходного напряжения от нуля, приведен ного ко входу ΔUвх от
Рис.4 Схема усилителя на ИОУ с резистивно-емкостными связями в канал после довательной ОС.