Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №2

Конструктивно-технологические особенности проектирования радиационно-стойких интегральных схем операционных усилителей

Горлов Митрофан  
Емельянов Антон  
Плебанович Владимир  
Москалев Вячеслав  

На этапе проектирования проблему повышения радиационной стойкости аппаратуры наиболее эффективно можно решить соответствующим выбором способа коррекции переходных и частотных характеристик усилителя. Наилучшие результаты получаются при включении быстродействующего канала (рис. 1) параллельно наиболее инерционному каскаду интегрального операционного усилителя, а наихудшие результаты — при коррекции интегрирующим конденсатором Скор, подключаемым между выходом и входом каскада промежуточного усилителя в микросхеме.

Рис. 1. Аналоговое устройство на операционных усилителях с параллельным быстродействующим каналом: а) структурная схема; б) схема замещения

Включение быстродействующего канала при определенных условиях существенно повышает быстродействие интегрального операционного усилителя и, соответственно, частоту единичного усиления ƒ1ис. Это позволяет, используя низкочастотную микросхему с повышенной радиационной стойкостью, спроектировать быстродействующий усилитель, способный работать нормально при заметно большем уровне ионизирующего излучения. Этот способ коррекции одновременно позволяет на порядок и более сократить время потери работоспособности (ВПР) усилителя, а его реализация возможна только при помощи интегрального операционного усилителя с дополнительными выводами для подключения корректирующего конденсатора. При этом быстродействующий канал, подключаемый к указанным выводам, строят на дискретных элементах. В связи с этими особенностями реализации применение данного способа коррекции ограничено [1].

Включение корректирующего конденсатора Скор, во-первых, приводит к уменьшению импульсной добротности интегрального операционного усилителя в (1 + Скор/Сис)1/2 раз, а, соответственно, и к уменьшению частоты единичного усиления ƒ1кор. При этом приходится использовать более высокочастотные микросхемы, которые, как правило, обладают меньшей радиационной стойкостью. Во-вторых, включение Скор сопровождается заметным увеличением коэффициента передаточной функции интегрального операционного усилителя, величина которого лимитирует (для предотвращения перегрузки по входу) наибольшую амплитуду выходного напряжения усилителя:

Кроме того, происходит увеличение ВПР в b1кор/b1ис раз (причем часто b1кор/b1ис>10). Возрастает амплитуда отклонения выходного напряжения и при ионизирующем излучении (ИИ). Необходимо учитывать еще один недостаток коррекции интегрирующим конденсатором: если из-за радиационного воздействия сопротивление Rкор.эк уменьшается настолько, что оно становится меньше Rкор.эк < (b2исF)1/2/Cис, то выбранная микросхема оказывается не пригодной для обеспечения заданного усиления Кu с требуемым быстродействием. При этом требуется выбирать более высокочастотный интегральный операционный усилитель (независимо от того, коррекция внутренняя или внешняя).

Наиболее простым и, одновременно, достаточно эффективным способом коррекции является включение в канал обратной связи резистивно-емкостной цепи (рис. 2).

Рис. 2. Схема усилителя на ИОУ с резистивно-емкостными связями в канале последовательного ОС

Этот способ коррекции лишен недостатков, свойственных коррекции посредством Скор, и по своей эффективности уступает только коррекции путем включения быстродействующего канала. Коррекция с помощью резистивно-емкостной цепи особенно эффективна в усилителях на трансимпедансных ИОУ [2].

В настоящее время большинство ИОУ выпускаются с внутренней коррекцией, в них Скор обеспечивает нормальную работу микросхемы с обратной связью при коэффициенте усиления Ки, не меньше указанного 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, — для того, чтобы исключить возможность самовозбуждения ИОУ.

Отметим, что и в ИОУ с внутренней коррекцией целесообразно включение в канал обратной связи резистивно-емкостной цепи, которая позволяет до некоторой степени исправить недостатки, обусловленные внутренней коррекцией. Такой подход необходим при использовании трансимпедансных усилителей с внутренней коррекцией.

Следующий вопрос, требующий решения на этапе схемотехнического синтеза, это выбор вида обратной связи. Выбор ОС (по напряжению 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 напряжению. В усилителях с токовым выходом, которые формируют мощные импульсы тока с крутыми перепадами в низкоомной нагрузке с индуктивной реакцией, включают обратную связь по току [3].

Выбор последовательной или параллельной ОС однозначно решается в пользу последовательной по следующим причинам. Во-первых, при заданной глубине обратной связи F схема с последовательной обратной связью обеспечивает усиление на единицу больше, чем при параллельной обратной связи. В этом нетрудно убедиться, рассматривая приближенные формулы, определяющие коэффициенты усиления:

где Rl и R2 — сопротивления резисторов в каналах обратной связи; Rд — выходное сопротивление датчика, напряжение которого усиливается. Проанализировав соотношения (2), можно понять, каков второй недостаток параллельной обратной связи: он связан с отклонением коэффициента усиления от номинальной величины, которое происходит из-за изменения сопротивления датчика Rд.

Это особенно опасно в аппаратуре, предназначенной для долгой работы в радиационных условиях, когда требуется установить деградацию параметров элементов схемы в зависимости от времени регистрации выходного напряжения усилителя. Что касается влияния изменений сопротивлений резисторов R1 и R2, то при соответствующем выборе резисторов (например, пленочных) можно существенно уменьшить их рассогласующее действие при радиационном воздействии.

В-третьих, так же как деградация сопротивлений ΔRд, ΔR1, ΔR2 влияет на точность усиления в области средних частот, изменение емкостей ΔСД, ΔС1, ΔС2 под воздействием радиации приводит к отклонению выброса на вершине импульса или неравномерности АЧХ от номинальной величины. Причем если в схеме с последовательной обратной связью отклонения ΔС1 и ΔС2 можно существенно уменьшить, то деградация ΔСД 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 параметрическую оптимизацию схемы, обеспечивая тем самым значительное улучшение характеристик усилителя в области малых времен или высших частот [4].

Преимущества последовательной обратной связи особенно ярко проявляются в предусилителях с противошумовой коррекцией и зарядо-чувствительных усилителях на малошумящих интегральных операционных усилителях.

Литература

  1. Агаханян Т. М., Аствацатурьян Е. Р., Скоробогатов П. К. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах. М.: Энергопромиздат. 1989.
  2. Бойченко Д. В., Никифоров А. Ю. Исследование влияния технологии на радиационную стойкость ОУ // Радиационная стойкость электронных систем. Научно-технический сборник. СПЭЛС. 2000.
  3. Агаханян Т. М. Схемотехнические способы повышения радиационной стойкости электронных усилителей на аналоговых микросхемах // Микроэлектроника. 2004. Том 33. № 3.
  4. Goddard Space Flight Center. Total Dose Characterization Tests. http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/TIDPart.html

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке