Радиационно-стойкая элементная база производства АО «ПКК Миландр»

В настоящее время компания АО «ПКК Миландр» освоила выпуск и ведет разработку широкого ряда микросхем с технологическими нормами 180 нм КНИ с повышенной стойкостью к специальным факторам космического пространства. Данный ряд содержит микросхемы различного рода: высокопроизводительные микроконтроллеры, схемы памяти, высокоточные АЦП, источники вторичного питания, аналоговые мультиплексоры и многое другое. В статье представлен обзор новых серийных микросхем и микросхем, находящихся в разработке.

Технология

Для парирования эффектов, вызванных воздействием специальных факторов космического пространства, применяются различного рода технологические, схемотехнические и программные методы. В частности, в результате воздействия ионизирующего излучения изменяются пороговые напряжения транзисторов, для n‑канальных порог снижается и транзистор начинает «подтекать», p‑канальный транзистор, наоборот, «закрывается», становится медленней. Для снижения эффектов от ионизирующего излучения существуют специальные топологические приемы при разработке схем, но более действенным представляется учет влияния излучения на характеристики транзисторов. Таким образом, если в моделях транзистора учитывается величина поглощенной дозы, то можно промоделировать, как будет вести себя микросхема при различных уровнях воздействия, и заложить в схему различные решения, способные устранить данные эффекты. Здесь, как и в обычной электронике, применяются различные схемотехнические приемы, позволяющие сделать микросхемы, устойчивые к изменению напряжения питания или температуры, модели транзисторов, учитывающие влияние накопленной дозы схемы.

При воздействии тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) в микросхемах может появиться тиристорный эффект — защелкивание тока через паразитную p‑n‑p‑n‑структуру, в результате возникает значительный ток из цепи питания в «землю», что приводит к неработоспособности микросхемы или ее отказу. Во избежание появления паразитных тиристорных структур используются различные технологические и топологические приемы. Например, применение технологий КНИ (кремний на изоляторе) позволяет разделить области p‑ и n‑канальных транзисторов слоем диэлектрика. В этом случае обеспечивается так называемый иммунитет к тиристорному эффекту, то есть отсутствие паразитных тиристорных структур как класса. Существуют и другие методы, в частности реализация различных охранных колец вокруг транзисторов, в этом случае увеличивается уровень воздействия, при котором может возникнуть эффект. Но при любом положении необходимо внимательно следить за всей топологией схемы, а поскольку она может содержать миллионы транзисторов, сделать это в ручном режиме становится невозможным. Вот почему должны быть применены автоматизированные средства проверки схемы для выявления паразитных тиристорных структур с целью их исключения.

Данные особенности (учет накопленной дозы и автоматическое определение паразитных тиристорных структур) не включены в стандартный набор правил проектирования и моделей, поставляемых полупроводниковыми фабриками для разработчиков микросхем, а были разработаны компаний АО «ПКК Миландр» самостоятельно. Это позволяет создавать не только цифровые, но и сложные аналоговые и цифро-аналоговые радиационно-стойкие микросхемы.

Микросхемы

В настоящее время компания АО «ПКК Миландр» серийно выпускает и ведет разработку широкого ряда радиационно-стойких микросхем. Основные описания микросхем представлены в таблице 1.

Микроконтроллеры 1986ВЕ8Т и 1986ВЕ81Т [1] и схемы памяти 1645РУ5 1645РТ3 и 5576РТ1 [2], преобразователи 1310НМ025 [3] уже достаточно подробно описаны в ряде публикаций, поэтому в данной статье мы остановимся на новых разработках.

Все серийно выпускаемые микросхемы обладают необходимым для космической техники уровнем стойкости. Разрабатываемые микросхемы моделируются с учетом влияния специальных факторов, и для них будут проведены квалификационные испытания с целью подтверждения требуемых уровней стойкости.

1923ВК014 — микросхема контроллера памяти

Для обеспечения управления космическим аппаратом в течение всего срока активного существования требуется надежное диагностирование работоспособности и функционального состояния бортовой электронной аппаратуры. Данную функцию выполняет система телеметрического контроля, в состав которой входят сложные электронные системы, позволяющие обрабатывать большое количество телеметрических параметров, чье число может достигать нескольких тысяч. Телеметрическую информацию необходимо собрать, обработать, при необходимости запомнить и передать по служебному радиоканалу командно-измерительной системы на наземный комплекс управления, где она будет обработана и передана для анализа и принятия решений. Для решения задач телеметрии создана серия микросхем 1923. Структурная схема системы телеметрического контроля представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема системы телеметрического контроля на базе серии микросхем 1923

Микросхема 1923ВК014 предназначена для сбора, обработки, сохранения полученной информации в памяти и последующей передачи полученных данных на центральный вычислитель космического аппарата или наземные центры. Для решения данных задач микросхема содержит 32‑разрядное процессорное ядро, специализированные контроллеры внешней памяти и набор различных периферийных интерфейсов. Основные характеристики микросхемы представлены в таблице 2.

Микросхема не содержит энергонезависимой памяти программ, таким образом, при включении питания микросхема должна быть сконфигурирована из внешнего источника. Основные режимы запуска микросхемы представлены в таблице 3.

Важным элементом микросхемы является контроллер внешней памяти. Он позволяет осуществить хранение различной информации во внешних микросхемах памяти. При этом аппаратно выполняется помехозащищенное кодирование и могут быть выбраны следующие режимы:

Режим ECC8 для 32‑битного слова позволяет:

• обнаруживать и исправлять произвольные одиночные ошибки;
• обнаруживать любые двойные ошибки.

Режим ECC16 для 32‑битного слова позволяет:

• обнаруживать и исправлять произвольные одиночные и двойные ошибки;
• обнаруживать любые тройные ошибки.

Хранение проверочных битов ECC может быть осуществлено в параллельном режиме PECC за счет расширения разрядности шины данных на 8 или 16 дополнительных бит. Также проверочные биты могут быть сохранены в последовательном виде SECC, когда биты сохраняются в той же памяти, но в более старших адресах. При последовательной организации хранения ECC-битов физическая разрядность шины данных может быть 8-, 16‑ или 32‑битной. Это позволяет строить системы, различные по своей сложности и габаритам.

Другой принципиально новый элемент данной микросхемы — контроллер ведущего процессора CPUIF. Фактически это контроллер внешней шины, но для обработки запросов от другого процессора, например 1986ВЕ8Т. Данный интерфейс позволяет использовать микросхему 1923ВК014 как периферийный контроллер для увеличения числа интерфейсов или как мост для организации внешнего накопителя с расширенными функциями помехозащищенного кодирования. Работа с интерфейсом CPUIF организована через последовательное расширение функционала. То есть при включении питания блок позволяет работать с ним в 8‑битном режиме (игнорируя старшие биты данных и адресов). Таким образом можно начать работать даже с 8‑битными микроконтроллерами. После начала работы, записывая новые настройки в блок CPUIF, можно увеличивать как разрядность данных, так и адресный диапазон, а следовательно, и производительность всей системы. Через блок CPUIF осуществляется доступ к внутренней памяти микросхемы 1923, к периферийным блокам, включая контроллер внешней шины. При этом работа встроенного процессорного ядра микросхемы 1923ВК014 не блокируется, но имеет меньший приоритет по отношению к CPUIF.

1923НВ015 — микросхема 16‑разрядного дифференциального АЦП

В системах телеметрии различаются следующие типы датчиков.

Сигнальные (цифровые датчики):

• запитанный электронный ключ с уровнем логического нуля  0–1 В и уровнем логической единицы от 2 В;
• незапитанный электронный ключ, характеризующийся падением напряжения при логическом нуле 0–1 В и падением напряжения при логической единице более 2 В;
• «сухой» контакт с сопротивлением логического нуля до 3 кОм и логической единицы более 100 кОм.

Аналоговые датчики:

• генераторные датчики вольтового диапазона c U_OUT 0–6,3 В;
• генераторные датчики милливольтового диапазона c U_OUT 0–400 мВ;
• аналоговые параметрические датчики (терморезисторы) с U_OUT 0–40 мВ;
• аналоговые тензометрические датчики c U_OUT 0–40 мВ.

Для обработки сигналов с аналоговых датчиков используется АЦП 1923НВ015. Основные характеристики микросхемы представлены в таблице 4.

Структурная схема микросхемы представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема микросхемы АЦП 1923НВ015

Управление микросхемой и передача данных с АЦП осуществляется через SPI-интерфейс. Для управления аналоговыми мультиплексорами (1923КН014 и 1923КН015) в микросхеме реализованы выходы A[5:0] и CEN[3:0]. Для обработки сигналов с температурных датчиков в микросхеме предусмотрен инструментальный усилитель с переменным (x1, x2, x4 и x8 раз) коэффициентом усиления и сглаживающий ФНЧ с частотой среза не более 20 кГц. В составе микросхемы предусмотрен источник опорного тока 2,78 мА для задания тока датчиков, а также однократно программируемая память объемом 128×8 бит, в которой находятся калибровочные коэффициенты и может быть сохранена другая пользовательская информация.

1923КН014 и 1923КН015 — микросхемы аналогового мультиплексора

Для переключения между различными датчиками либо иной коммутации аналоговых сигналов используются микросхемы 1923КН014 и 1923КН015. Их основные характеристики представлены в таблице 5.

Аналоговый мультиплексор может работать в двух режимах:

• дифференциальный мультиплексор CONFIG = 0;
• мультиплексор одиночного сигнала CONFIG = 1.

Управление коммутацией осуществляется через порт A. При этом для создания сложных коммутационных систем, например, когда необходимо осуществить коммутацию как самих датчиков, так и опорных токов на датчики, реализованные механизмы позволяют осуществить управление от одного сигнала выбора датчика. Типовая схема коммутации набора терморезисторов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема реализации подключения терморезисторов с помощью микросхем аналоговых мультиплексоров 1923КН014 и 1923КН015

Также в данной микросхеме реализованы различные вспомогательные функции, например создание мертвой зоны при переключении ключей, это позволяет исключить влияние одного сигнала на другой. Микросхема может использоваться в холодном резерве, когда при отсутствии питания все ключи гарантированно разомкнуты.

1923КХ014 — микросхема цифрового коммутатора

Для обработки сигнальных цифровых датчиков или аналоговых датчиков вольтового диапазона применяется микросхема цифрового коммутатора 1923КХ014. Основные характеристики микросхемы представлены в таблице 6.

Структурная схема микросхемы представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема микросхемы 1923КХ014

Общее число входных сигналов составляет 64. Микросхема содержит восемь встроенных аналоговых компараторов с 25 программируемыми уровнями сравнения 0–2,5 В. Каждый компаратор может выбрать один из восьми входных сигналов. Входной кас-кад до мультиплексора содержит управляемый источник опорного тока, который задает как втекающий, так и вытекающий ток со значением 2,78 и 0,375 мА. Кроме того, реализована схема защиты с ограничением входного сигнала на уровне 5 В и схема резистивного делителя, позволяющего поделить уровень входного сигнала в 2, 3 или 4 раза. При этом если после деления входной сигнал окажется ниже уровня защиты, то защита отключается, что позволяет анализировать сигналы с уровнями до 7,5 В. Значения на выходе компараторов могут быть считаны как напрямую через параллельную шину, так и через последовательный SPI-интерфейс. Кроме того, все восемь выбранных для компараторов каналов входных сигналов могут быть заведены на блок 12‑битного АЦП для определения более точного значения уровня сигнала. Также на АЦП могут быть обработаны различные внутренние сигналы микросхемы — источники опорных напряжений, напряжений питания и значения со встроенного термодиода. АЦП может работать в различных режимах, например в режиме с усреднением, когда для определения значения сигнала выполняется 10 преобразований, из полученных результатов отбрасываются минимальный и максимальный, а для остальных восьми определяется среднее арифметическое значение.

1310НН015 — микросхема DC/DC-источника питания

Для обеспечения напряжений питания разрабатываются микросхемы для создания источников вторичного питания. Микросхема 1310НН015 представляет собой законченный DC/DC со встроенными силовыми ключами. Основные характеристики представлены в таблице 7.

Типовая схема включения микросхемы показана на рис. 5.

Рис. 5. Типовая схема включения микросхемы 1310НН015

В представленной схеме значение выходного напряжения определяется соотношением резистивного делителя в цепи обратной связи FB:

U_OUT = (R1/50 кОм+1)xU_REF,

где U_REF — внутреннее опорное напряжение, равное 1 В.

Также в зависимости от режимов использования схемы должна быть определена индуктивность L1 и R_TOFF, способ расчета приведен в спецификации микросхемы, ориентировочные значения для различных режимов представлены в таблице 8.

Заключение

Разработанные и разрабатываемые микросхемы обеспечивают весь комплект элементной базы, необходимой для создания радио-электронной аппаратуры с высокими уровнями стойкости. Развитие линейки направлено в область более высоковольтных решений, например микросхемы DC/DC-регуляторов c уровнем входного питания 12 и 27 В. Также проекты в виде готовых IP-блоков, таких как АЦП, ЦАП и схемы приемопередатчиков, позволяют создавать различные решения под требования заказчиков.