научная статья по теме ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ»

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

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»