Микросхема многоканального операционного усилителя и электрометрического повторителя на радиационно-стойком базовом матричном кристалле «АБМК-1.3»
Рассмотрены особенности схемотехники и результаты компьютерного моделирования микросхемы, содержащей 4-канальный операционный усилитель (ОУ) и 2-канальный электрометрический повторитель напряжения, предназначенные для предварительной обработки сигналов датчиков в физике высоких энергий. Особенностями разработанного ОУ являются отсутствие источника тока во входном дифференциальном каскаде и использование параллельного высокочастотного канала для увеличения полосы пропускания и скорости изменения выходного напряжения. Приводятся результаты экспериментальных исследований, которые подтвердили малую чувствительность параметров разработанных микроэлектронных изделий, созданных на базовом матричном кристалле «АБМК-1.3» без применения горизонтальных p-n-p-транзисторов, к воздействию гамма- облучения и электронов с энергией 4 МэВ.
Ключевые слова: операционный усилитель, базовый матричный кристалл, повторитель напряжения, датчик, чувствительный элемент датчика, радиационная стойкость
05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
Введение Разработанный в [1] подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых интегральных схем (ИС), выполняющих предварительную обработку сигналов чувствительных элементов датчиков, предусматривает в соответствии с [2,3]: - реализацию требуемых функций и параметров аналоговых устройств на основе радиационно-стойких операционных усилителей (ОУ) и электрометрических повторителей напряжения с входными полевыми транзисторами с p-n-переходом и каналом p-типа (p-ПТП); - применение во всех аналоговых компонентах только радиационно-стойких p-ПТП и n-p-n-транзисторов, исключение из схем горизонтальных p-n-p-транзисторов; - возможность изменения быстродействия и нагрузочной способности аналоговых компонентов варьированием импеданса ограниченного числа RC-цепей. Целью настоящей статьи является рассмотрение особенностей построения микросхемы, содержащей 4-канальный ОУ и 2-канальный электрометрический повторитель напряжения, разработанные с учетом рекомендаций [4,5,6]. Особенности схемотехники аналоговых компонентов. Отказ от применения p-n-p- транзисторов значительно усложнил схемотехнический синтез, т.к. затруднил реализацию повторителей тока («токовых зеркал») и двухтактных усилительных каскадов, а также заставил принять особые меры для уменьшения влияния на основные характеристики аналоговых компонентов допустимого технологического разброса параметров ПТП. Разработанные с учетом [7,8,9] для базового матричного кристалла «АБМК-1.3» схемы ОУ и повторителя напряжения показаны на рис. 1. Электрические схемы на приведенных рисунках отражают специфику проектирования микросхем на «АБМК-1.3» [7]: - необходимая величина сопротивления получена с помощью последовательно-параллельного соединения резисторов, умощнение транзисторов (увеличение допустимого рабочего тока) осуществляется за счет параллельного соединение однотипных транзисторов; - условные графические обозначения транзисторов включают наименование элементов «АБМК-1.3» (в качестве n-p-n- транзисторов применяются элементы GC1E с минимальной площадью эмиттерного перехода, 2GC – с удвоенной минимальной площадью эмиттерного перехода, в качестве малошумящего p-ПТП – элемент PADJ); - в обозначении резисторов отражено сопротивление, которое реализуется при определенном соединении расположенных на кристалле базовых резисторов фиксированной величины, равной 650 Ом, 1250 Ом, 5,8 кОм, 9,2 кОм. Так, резистор R1_1 на рис. 1а обозначен как 3R 258. Это означает, что он образован тремя параллельно соединенными между собой резисторами с результирующим сопротивлением 258 Ом, т.е. 3R 258= 650||650||1250; - в некоторых местах для упрощения схемы приведено суммарное сопротивление цепочки резисторов, например, R3 = 85,5 кОм (рис. 1а). Особенностями ОУ, показанного на рис. 1а, являются: - отсутствие источника тока во входном дифференциальном каскаде (Q3, Q7); - применение каскада с активной нагрузкой на p-ПТП (Q12, Q14); - использование параллельного высокочастотного канала (Q1, R1, R2 и C1) и выходного каскада на n-p-n-транзисторах (Q15, Q17) для увеличения полосы пропускания и скорости изменения выходного напряжения.
б) Рис. 1 – Схемы операционного усилителя (а) и электрометрического повторителя напряжения (б)
Повторитель напряжения (рис. 1б) включает истоковый повторитель на p-ПТП (Q5, Q4), эмиттерный повторитель (Q6, Q9), каскад сдвига уровня (Q8, R5, R6) и двухтактный выходной каскад на n-p-n- и p-ПТП. Схемы ОУ и повторителя разработаны с учетом обеспечения программирования основных параметров [1]. Так, в ОУ: - резистор RCOR3, включенный между узлами COR3 и VCC, позволяет увеличить коэффициент усиления ОУ при обработке отрицательной полуволны выходного напряжения (вытекающий ток из нагрузки) за счет увеличения тока потребления; - конденсатор СCOR12 (между COR1 и COR2) изменяет форму амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и уменьшает длительность фронта выходного импульса; - резистор RCOR4 (между COR4 и VEE/VCC) регулирует напряжение смещения нуля (VOFF). Для повторителя напряжения: - резистор RCOR1_VCC (между COR1 и VCC) позволяет увеличить скорость спада выходного напряжения; - резистор RCOR2_VCC (между COR2 и VCC) и RCOR2_VEE (между COR2 и VEE) изменяет напряжение смещения нуля. Результаты измерений Эскизный сборочный чертеж, иллюстрирующий наименования и нумерацию выводов в 48-выводном четырехстороннем корпусе типа Н16.48-1 В, приведен на рис. 2, на котором последний символ «F» в названии вывода указывает на его принадлежность к повторителю напряжения.
Рис. 2 – Эскизный сборочный чертеж многоканальной ИС
Параметры ОУ и повторителя напряжения определялись по известным методикам [10] с помощью измерительного комплекса UNIPRO В-424/B-131, кроме того изучались характеристики инструментального усилителя (ИУ), выполненного по типовой схеме на трех ОУ [11]. Основные результаты приведены в табл. 1-3. Таблица 1 Параметры ОУ и ИУ при напряжении питания, равном + 5,0 В, заданном сопротивлении нагрузки (RLOAD) и коэффициенте усиления (KV)