ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 66-71
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.382
ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ © 2014 г. О. В. Дворников, В. А. Чеховский*, В. Л. Дятлов, Н. Н. Прокопенко**
ОАО "Минский научно-исследовательский приборостроительный институт" Беларусь, 220113, Минск, ул. Я. Коласа, 73 *Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий Белгосуниверситета Беларусь, 220040, Минск, ул. Богдановича, 153 **Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Россия, 346500, Шахты Ростовской обл., ул. Шевченко, 147 Поступила в редакцию 26.03.2013 г.
На аналоговом базовом матричном кристалле АБМК-1.3 создана двухканальная микросхема для обработки токовых импульсов кремниевых фотоэлектронных умножителей. Каждый канал микросхемы содержит трансрезистивный усилитель с максимальным коэффициентом преобразования около 5 мВ/мкА, регулируемым в диапазоне 70 дБ, и дискриминатор с порогом, изменяемым в пределах ±500 мВ. Приводятся схемные решения отдельных каскадов микросхемы и экспериментальные характеристики.
Б01: 10.7868/80032816214010042
1. ВВЕДЕНИЕ
Для обработки сигналов сцинтилляционных детекторов, планируемых к использованию в мю-онной системе установки PANDA (ускорительный комплекс FAIR, Дармштадт, Германия), создана серия одноканальных микросхем, содержащих трансрезистивный усилитель (т.р.у.) из ряда Ampl-1.14-Ampl-1.17 и компаратор напряжения Comp-1.5. Электрические схемы Ampl-1.14-Am-pl-1.17, Comp-1.5 отличаются от ранее разработанных т.р.у. Ampl-8.3 и дискриминатора Disc-8.3 [1, 2], в основном, сопротивлениями резисторов и цепями сдвига постоянного уровня напряжения. Внесенные изменения позволили снизить допустимое напряжение питания до величины ±3 В, увеличить быстродействие и обеспечить коэффициент преобразования входного тока в выходное напряжение (Кш) в диапазоне от 1 до 20 мВ/мкА.
Оптико-электронные устройства, включающие Ampl-1.14-Ampl-1.17, компаратор Comp-1.5 и кремниевый фотоэлектронный умножитель (ф.э.у.) MAPD-1, экспериментально апробированы и удовлетворяют требованиям мюонной системы установки PANDA.
Создание четырех типов микросхем Ampl-1.14-Ampl-1.17 обусловлено необходимостью оптимальной обработки сигналов разных кремниевых ф.э.у., конструкции которых постоянно совершенствуются, а параметры (внутренняя емкость, коэффициент усиления, длительность выходного токового импульса) - изменяются. Однако по техническим и экономическим причинам целесообразна замена серии микросхем Ampl-1.14-
Атр1-1.17 одним изделием с регулируемыми параметрами.
Целью данной статьи является рассмотрение особенностей структуры, схемотехники и параметров микросхемы, предназначенной для обработки сигналов кремниевых ф.э.у. с различным коэффициентом усиления.
Микросхема создана на базовом матричном кристалле АБМК-1.3, который изготавливается в филиале "Транзистор" ОАО "ИНТЕГРАЛ" tp://www.integra1.by/).
2. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Разработанная микросхема содержит два одинаковых т.р.у. Атр1-1.18 и два компаратора Сотр-1.5 с раздельными шинами питания и нулевого потенциала.
Атр1-1.18 сохраняет свою работоспособность в диапазоне напряжения питания от ±3 до ±5 В, а компаратор Сотр-1.5 обеспечивает требуемое быстродействие и нагрузочную способность при напряжении питания, равном ±3 В. Путем различного присоединения выводов к контактным площадкам кристалла можно реализовать разные аналоговые устройства и минимизировать их потребляемую мощность, а именно получить:
— два канала обработки сигналов, каждый из которых содержит Атр1-1.18 и Сотр-1.5;
— т.р.у. и двухканальный компаратор для регистрации уровня сигнала внутри заданного диапазона значений.
Компаратор Comp-1.5 имеет выходной каскад с "открытым" коллектором, допускает регулировку выходного тока и характеризуется следующими параметрами: напряжение питания ±3.0 В; потребляемая мощность <50.0 мВт; входной ток <0.3 мкА, выходной ток >3.0 мА; время задержки <12.0 нс; длительность фронта нарастания (спада) <2.0 нс.
Ampl-1.18 состоит из последовательно включенных трех каскадов: предварительного усилителя (рис. 1а), каскада с регулируемым усилением (рис. 1б), выходного каскада с регулировкой уровня постоянного выходного напряжения (рис. 1в), блока установки режима работы и усиления (рис. 1г).
Электрические схемы на рисунках отражают специфику проектирования микросхем на АБМК-1.3 и в системе проектирования OrCAD:
— условные графические обозначения транзисторов включают наименования элементов АБМК-1.3: PAD2Q, GC1E, 2GC, NPNC, TW1E, TWPNP;
— необходимая величина сопротивления получена с помощью последовательно-параллельного соединения резисторов, входящих в библиотеку АБМК-1.3;
— в наименовании резисторов АБМК-1.3 ("3R...", "2R...", "R...") отражено сопротивление, которое реализуется при определенном соединении расположенных на кристалле базовых резисторов с фиксированными номиналами 70 Ом, 650 Ом, 1.25 кОм, 5.8 кОм, 9.2 кОм. Так, резистор с позиционным обозначением R4/2 на рис. 1а является элементом 3R 258 библиотеки АБМК-1.3. Это означает, что он образован тремя параллельно соединенными между собой резисторами с результирующим сопротивлением 258 Ом, т.е. 3R 258 = 6501|650|| 1250.
К особенности Ampi-1.18 относится использование одного п.у. с транзисторами, включенными по схеме общая база (о.б.) — общий коллектор (о.к.). В предыдущих изделиях (Ampl-1.14—Ampl-1.17, Ampl-8.3) для задания режима работы первого дифференциального каскада применялись два одинаковых п.у. На вход одного из п.у. поступал полезный сигнал, а вход второго п.у. был "плавающим" [1]. Так как входной транзистор с о.б. обычно работает при большом эмиттерном токе, то использование одного п.у. позволило почти на 30% снизить потребляемую мощность Ampl-1.18.
В типовых каскадах с о.б. максимальная величина коэффициента преобразования определяется требуемым входным сопротивлением гвх и напряжением питания ипит в коллекторной цепи транзистора
KIU < 1 ипит — U5 |гвх/ Фт,
где фт — температурный потенциал (фт ~ 26 мВ при 300 К); иб — базовый потенциал транзистора с о.б.
Чаще всего для увеличения Кш применяют дополнительные каскады усиления напряжения [1] или последовательное включение двух каскадов с о.б., работающих при разных эмиттерных токах [3].
Подобное решение применено в п.у. на рис. 1а. Напряжение на базе головного малошумящего п— р—п-транзистора устанавливается транзисторами в диодном включении 03, на уровне —1.38 В. База 02 соединена с отдельным выводом ЯЕЕЛ для подключения внешнего конденсатора, уменьшающего уровень входного шума.
Необходимый для обеспечения требуемого входного сопротивления эмиттерный ток 02 (/э2) устанавливается резистором Я4, так как гвх ~ фт//э2. Сопротивление резистора Я4 выбрано таким образом, чтобы при величине отрицательного напряжения питания, равной —3 В, входное сопротивление т.р.у. Атр1-1.18 было около 50 Ом.
Базовый потенциал транзистора с о.б. составляет 0 В, а его эмиттерный ток устанавливается с помощью шунтирующего резистора Я3, 1э1 ~ « /э2 — 0.7 В/К3. Такое решение позволяет независимо задавать эмиттерный ток головного транзистора 02 и коллекторное напряжение что облегчает получение требуемого Х1и и согласование п.у. по уровню постоянного напряжения с последующими каскадами.
Коллекторной нагрузкой транзистора является выход резистивного делителя Я1, Я2, включенного между шинами Усс и ОМБ. При заданном эмиттерном токе и его коллекторном напряжении около 1 В выбор номиналов резисторов Я2 обеспечивает требуемую величину К1и и динамические характеристики п.у.
Так, на рис. 2 приведены результаты схемотехнического моделирования зависимости Х1и и длительности спада 1сп выходного сигнала п.у. при эмиттерном токе 02, равном 1.5 мА, напряжении питания Усс = 5 В, УЕЕ = —5 В и разных номиналах резисторов Я1 и Я2.
Учитывая результаты моделирования и ограниченные возможности получения требуемого сопротивления резисторов на АБМК-1.3, для резистивного делителя т.р.у. Атр1-1.18 выбраны сопротивления Я1 = 4.125 кОм, Я2 = 4.228 кОм.
Вторым каскадом Атр1-1.18 (рис. 1б) является дифференциальный каскад (д.к.) на 013 и 014 с ячейкой Джильберта (09—б12), обеспечивающей плавную регулировку усиления. Отношение сопротивлений резисторов коллекторной нагрузки Я7, Я8 и межэмиттерного резистора ^15 определяет максимальный коэффициент усиления на средних частотах, а конденсатор с7 осуществляет коррекцию амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот. Эмиттерный ток транзисторов 013 и 014 выбран равным 1 мА для обеспе-
(а)
Я1/3 Г 2Я 650
Я2/1 Г
2Я 1.9 к [
Я2/2 г
2Я 1.9 к
Я2/3 Г 3Я 428 [
*3
2Я 1.25 к
ЯЕРЛ
шра
Я4/2 3Я 258
]Я1/1 2Я 1.9 к
]Я1/2 2Я 1.9 к
1/4 2Я 650
<1 26С
<24 2в€
[02
\PAD2Q |Я4/1
Г2Я 1.9 к
Я4/3 2Я 258
<7
2вС
0ъ
2вС
<8
ИРИС
<5
2вС
Об
2вС
ШОШ
))Г-ШBIЛSl
Я5
2Я 15 к
Яб
2Я 650
(б)
оит11
7/1 2Я 1.9 к
7/2 2Я 650
8/1 2Я 1.9 к
шр
С1
С 0.91 п
<9
вС1Б
010 6С1Е
8/2 2Я 650
юит9
ТЛ
01
6С1Е
<12 6С1Е
в+
2Я 1.25 к 2Я 1.25 к 2Я 1.25 к 2Я 1.25 к 2Я 1.25 к
Я10 Я11 Я12 Я13 Я14
2Я 1.25 к
2Я 1.25 к
2Я 1.25 к
Т_
2Я 1.25 к
2Я 1.25 к
С 0.91 п С 0.91 п С 0.91 п
С 0.91 п
С 0.91 п
<13
2вС
<14
2вС
С7 С 0.91 п
3Я 258
3ЯЯ1
15/2
3Я 258
<15
ИРИС
<16 ИРИС
1В1Л^1
Я17 3Я 428 I.
(в)
трШгЯ^~°17 <21 Ч-ЯЁЪ-и
1 к 6С1Е 6С1Е ¿Г4^■
1ИР2
<18 26С
<19
26С
<22 26С
<23
26С
<20 ТЖ1Е
19/1 2Я 1.9 к
19/2
2Я 650
Я21 Я 70
оитл2
<24
<26 ОС1Е
<28 0С1Е
<27
ОЦТЛ 2Я 1.25 к
<30 ОС1Е
<29
26С
Я
29
OUTD1
2Я 1.25 к
ТНЯ-
OUTD2
<31 ОС1Е
<33 ОС1Е
Я31/1 2Я 5.8к 2Я 15к
Я31/2
2Я 15к
<32
0С1Е
<34
1ТНЯ+
■ЖЛ^
<34
0С1Е
]Я34
2Я 650
2Я 5.8к
¡-■ада
(г)
<35 ОС1Е
в+
Я35/1 2Я 15 к
35/2 2Я 15 к
<36 ТМЕ
5
жл^ I
3Я 325 3Я 325
ТМЕ
<42
0С1Е
<43
тШЕ GND
вЛ1И
Я40
2Я 3.557к
а-
<41
ИРИС
5 ? <46 Ь
Я39
2Я 428
ТЖ1Е
дЩ
<44 ТЖ1Е
<45
Т^РИР
<47
ИРИС
ЯЯ
<48 ТМЕ
■ЯЕЕ
■ЖЛ^
СС
СС
Я
С
С
С
С
С
4
6
Я
16
3Я 428
ЕЕ
ЕЕ
СС
Я
Я
24
28
25
Я
30
Я
22
Я
32
Я
Я
3
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.