МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 3, с. 225-232
_ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ _
--ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ -
УДК 621.382
СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
© 2004 г. Т. М. Агаханян
Экспериментальное научно-производственное объединение "Специализированные электронные системы"
Поступила в редакцию 07.04.2003 г.
Обсуждается методика проектирования усилителей, обеспечивающих достаточный запас по устойчивости при их длительной работе в условиях стационарного радиационного воздействия в системах спутниковой связи, ядерных установках, аппаратуре военного и специального назначения. Рассматриваются схемотехнические способы уменьшения времени потери работоспособности электронных усилителей на аналоговых интегральных микросхемах при кратковременном воздействии импульсного ионизирующего излучения.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема повышения радиационной стойкости электронной аппаратуры, применяемой в системах спутниковой связи [1-4], ядерных установках, аппаратуре военного и специально назначения [5-7], устройствах связи и экспериментальной физики является одной из важнейших задач среди других аспектов современной радиоэлектроники. Решение этой проблемы особенно актуально в настоящее время в связи с широким применением обычных коммерческих интегральных микросхем (взамен дорогостоящих радиационно-стой-ких микросхем) в устройствах, предназначенных для работы в условиях спецвоздействия. При этом речь будет идти не о хорошо известных мерах повышения радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем, таких как изоляция диэлектрической пленкой, замена диффузионных резисторов пленочными, использование в дифференциальных каскадах высокоомных цепей в коллекторах транзисторов в виде динамических нагрузок, использование дополнительных транзисторов в диодном включении для закорачивания фототоков (как, например, в операционном усилителе ЦЛ744 [8]) и т.д.
В статье рассматриваются схемотехнические способы повышения радиационной стойкости электронных устройств на интегральных операционных усилителях, реализуемых при их проектировании.
Как известно [9, 10], проектирование электронных устройств связано с выполнением ряда проектных процедур, основным из которых является синтез, реализуемый на основе двух процедур: математического синтеза и синтеза электрической схемы проектируемого устройства (так называемый схемотехнический синтез). Первая
процедура сводится к составлению математической модели устройства на основе заданного процесса функционирования и требований к точности. При проектировании радиационно-стойких электронных устройств особенно важно учет условий эксплуатации, надежности и т.д. Синтез электронных схем сводится к отысканию электронной цепи, которая соответствует заданной математической модели, и определению параметров элементов схемы, обеспечивающих выполнение требуемой функции данного устройства с заданной точностью. Проектирование электронного устройства завершается процедурой анализа эскизных проектов, позволяющей установить запас по радиационной стойкости устройства с учетом разброса параметров схемы, их радиационной стойкостью в температурном диапазоне и т.д.
Окончательно выбранный вариант схемы подвергается тщательной проверке, представляющую собой своеобразное испытание схемы на основе ее математической модели с учетом всех факторов, определяющих работу устройства в реальных условиях и возможные изменения в процессе эксплуатации.
1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОГО РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Такие усилители применяются в системах спутниковой связи [1-4], ядерных установках, аппаратуре военного и специального назначения [5-7].
Проектирование начинают с выбора интегрального операционного усилителя, прежде всего, руководствуясь радиационной стойкостью. Очевидно, что предпочтение отдают микросхе-
мам с диэлектрической изоляцией, так как отклонение выходного напряжения Аивыхот, определяемое входными напряжением смещения ивхсм, током смещения /вх.см и током сдвига /вх.сд, при радиационном воздействии изменяется в меньшей степени, чем в интегральном операционном усилителе с изоляцией р-п - переходом. В последней группе микросхем из-за образования паразитных р-п-р транзисторов, происходит заметное увеличение /вх.см; он возрастает на величину среднего значения токов эмиттеров паразитных транзисторов, действующих в дифференциальном каскаде [11]. Расчет токов эмиттеров требует знание
ряда параметров паразитных транзисторов, что и затрудняет их определение. Практически обычно все это учитывается на этапе тестовых испытаний, которые одновременно используют для измерения значений и температурных коэффициентов точностных параметров ИОУ: ивх.см, /вх.см, /вх.сд. При этом определяют также и коэффициент влияния источников питания Квли.п. Отклонение выходного напряжения от своей номинальной величины, вызываемое действием эффектов смещения и ионизации, определяется приведенным ко входу значение
2
Аивх.от.ном = Аивх.см + (Дг1 - ^г2)А1вх.см + 0.5(^г1 + ^г2)А1вх.сд + ^ Квл.ип1 АЕип.1.
I = 1
Здесь Аи,х
.см А4х .см А/вх .сд, АЕип.1 - изменениЯ ВХОДного напряжения смещения, входных токов смещения и сдвига, напряжений источников питания; Яг1 и Яг2 - сопротивления резисторов, включенных во входные цепи интегрального операционного усилителя.
Чрезмерное отклонение Аивхот.ном, что нередко наблюдается в микросхемах с изоляцией р-п-переходом, может сопровождаться нарушением нормального режима работы каскадов в интегральном операционном усилителе. Это обстоятельство часто является определяющим при оценке радиационной стойкости интегральных операционных усилителей. Необходимо отметить, что в подобных случаях нормальный режим работы интегрального операционного усилителя можно восстановить балансировкой микросхемы. Однако это не исключает нарушение нормального режима интегрального операционного усилителя, если аппаратура предназначена для работы в широком диапазоне изменений температуры. При этом температурный дрейф уменьшают до допустимого предела соответствующим выбором глубины отрицательной обратной связи, с использованием известных методов уменьшения дрейфа выходного напряжения, к числу которых относятся включение во входных цепях интегральных операционных усилителей, во-первых, возможно низкоомных резисторов Яг1 и Яг2 и, во-вторых, Яг1 = ^г2. Следует иметь в виду, что включение Яг1 = Яг2 способствует уменьшению той части температурного дрейфа Аивхдр, которая обусловлена разностью перепадов напряжений во входной цепи, т.е. А/вх.см (Лг1 - Яг2). Что касается дрейфа, вызываемого наличием р-п-р-транзисто-ров с боковой инжекцией (если таковые используются в выходном каскаде), то он не уменьшается при Яг1 = Яг2. Его можно уменьшить только увеличением глубины отрицательной обратной связи.
Если стабилизирующая обратная связь оказывается слишком глубокой, поэтому коэффициент усиления становится меньше требуемого значения, то используют дополнительное звено усиления, т.е. строят усилитель на двух интегральных операционных усилителях.
Радиационное воздействие приводит к ухудшению высокочастотных и импульсных характеристик в области малых времен, а также шумовых показателей интегральных операционных усилителей. Ухудшение этих параметров особенно заметно в специализированных интегральных операционных усилителях частного применения, к числу которых относятся микросхемы с повышенным входным сопротивлением, прецизионные и микромощные интегральные операционные усилители. Эти микросхемы более чувствительны к остаточным радиационным эффектам, так как схемотехнические и технологические меры, применяемые для достижения предельных показателей по каким-либо параметрам, как правило, приводят к снижению их радиационной стойкости. Не рекомендуется использовать интегральные операционные усилители в микрорежиме, так как в этом режиме деградация параметров транзисторов происходит при более низких флюенсах.
Как известно [9], схематический синтез усилителей реализуют на основе передаточной функции интегрального операционного усилителя, которую в операторном виде можно представить
К
Кис ( р ) = —-"-.
р Ь2ис + р^1ис + 1
В микросхемах с внутренней коррекцией, реализуемой интегрирующим конденсатором Скор [9], коэффициенты передаточной функции определяются формулами:
Ь2кор = Ь2ис(1 + Скор/Сис); Ь1кор = Ь1ис + Скор^кор.эк,
где Сис и ^Кор.эк представляют собой параметры интегрального операционного усилителя, характеризующие действие корректирующего конденсатора.
Коэффициенты передаточной функции интегрального операционного усилителя определяются частотой единичного усиления и верхней граничной частотой следующими соотношениями: для микросхемы без внутренней коррекции
Ъ2ис =
К и
( 2п / !ис )2
Ъ1 ис —
1
2п /,
при включении корректирующего конденсатора
Кис 1
Ъ
2 кор 2'
( 2 пХ// 1кор )
Ъ—
и 1 кор
2 п /
кор
Здесь
х / —
л/о,5 ^?кор + 71 - (0.5 ^ 1 кор) ^1-0.5^ 1
кор >
¿1
Ъ1
кор
кор
ткись
2кор
коэффициенты, первый из которых характеризует влияние Скор на частоту единичного усиления /1кор, а второй - связан с запасом по устойчивости при наибольшей глубине обратной связи.
При радиационном облучении, создающем объемные структурные повреждения, частота единичного усиления у скорректированного ИОУ /1ис меняется незначительно вплоть до флюенсов 1015 нетр./см2 и более [11]. Верхняя граничная частота для большинства интегральных операционных усилителей возрастает, что объясняется уменьшением коэффициентов усиления каскадов, вследствие чего ослабляется действие паразитных емкостей. В микросхемах с внутренней коррекцией изменения /1кор и /Ъ.кор, кроме указанных факторов, связаны с деградацией Скор, что затрудняет достоверное определение этих изменений.
Изменение параметров передаточной функции интегрального операционного усилителя устанавливают тестовыми измерениями, применяя имитационные испытания, по возможности близкие к реальным условиям работы аппаратуры. Эти параметры определяют по известной методике [
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.