Воздействие ионизирующего излучения сказывается также на частотных и импульсных характеристиках ИОУ в области ма­лых времен. При облучении, создающем объемные структурные повреждения, частота единичного усиления для некорректированного ИОУ меняется незначительно вплоть до флюенсов 1015 нейтр./см2 и более. Верхняя граничная частота для боль­шинства ИОУ возрастает, что объясняется уменьшением коэф­фициентов усиления каскадов, вследствие чего уменьшается влияние паразитных емкостей. Эти изменения приводят к сниже­нию запаса устойчивости, oднако поскольку в реальных условиях послед­няя тоже уменьшается, то в итоге при облучении самовозбужде­ние ИОУ маловероятно.

Критериальные параметры для оценки стойкости ОУ.

Как правило, нормативная документация (НД) на ИОУ устанавливает отклонение выходного на­пряжения от нуля ΔUвх от, приведенного ко входу, в качестве критериального параметра при опреде­лении уровня бессбойной работы (УБР) и времени потери работоспособности (ВIIP) при воздействии импульсного ИИ.

Типовая схема включения по НД для контроля параметра ΔUвх.от показана на рис.2, причем коэффициент усиления схемы Ки выбира­ется в диапазоне от 10 до 1000 без должного обос­нования. Напряжение отклонения от нуля рассчи­тывается по упрощенной формуле:

ΔUвх.от = ΔUвых/ Ku.

Критерий работоспособности ИОУ по пара­метру UBX для определения УБР и ВПР задается выражением

ΔUвх.от £ ΔUвх.от норм    или   ΔUвых £ ΔUвх.от нормKu  

Как показали эксперименты, в зависимости от технологии существенно различаются чувствительность к воздействию стационарного ИИ того или иного параметра однотипных ОУ, различаются зависимость АЧХ от величины поглощенной дозы, уровень катастрофического отказа, характер изменения напряжения смещения нуля и др.  Так, например, уровень катастрофического отказа ОУ 140УД17 различается на порядок в зависимости от предприятия изготовителя. В связи с этим один и тот же тип ОУ мог соответствовать либо нет нормам ТУ. Т.о. очевидна невозможность прогнозирования радиационного поведения ОУ по результатам исследования схем того же типа, но другого конструктивно-технологического исполнения. Более того, подтверждается неинформативность использования одного и того же критериального параметра для сравнительной оценки радиационной стойкости всех ОУ, т.к. критериальный параметр, т.е. наиболее чувствительный к воздействию того или иного типа ИИ, определяется технологией изготовления микросхемы.

Ниже приведена таблица параметров, реагирующих на воздействие ИИ для некоторых усилителей.

Из представленного материала, подтверждае­мого многочисленными экспериментами, следует, что напряжение смещения нуля, определяемое как приведенное к входу выходное напряжение не яв­ляется информативным параметром при опреде­лении уровня бессбойной работы ИОУ при воз­действии импульсных спецфакторов. Более ин­формативным показателем стойкости ИОУ при воздействии ИИИ является время потери работоспособности (ВПР), определяемое по уменьшению отклонения выходного напряже­ния до заданного уровня.

Выбор общего критерия работоспособности для определения УБР и ВПР, отражающего спо­собность ИОУ усиливать сигнал с заданной точ­ностью, можно осуществить только условно без привязки к конкретному применению ИОУ. Пря­мая оценка по наихудшему случаю (например включение ИОУ без ОС) также неинформатив­на, так как при этом получаются заведомо завы­шенные значения ВПР. Однако предварительные оценки показывают, что в этом случае возможен пересчет полученных значений ВПР к конкрет­ной схеме включения.

Проектирование радиационно-стойких ИОУ.

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 (см.рис.3) 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.3. Аналоговое устройство на АИМС 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 f1ис. 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 продол­жительность ВПР усилителя. Реализация этого способа коррекции возможно только у интегрального операционно­го усилителя с дополнительными выводами для подключения корректирующего конденсатора (как, например микросхема LM101A и ее аналог 153УД2). При этом быстродействующий канал, подключаемый к указанным выводам, строят на дискретных элементах. Указанными особеннос­тями реализации объясняется ограниченное при­менение этого способа коррекции.

Включение корректирующего конденсатора Скор, во-первых, приводит к уменьшению импульс­ной  добротности  интегрального   операционного усилителя в (1 + Скор/Сис)1/2 раз и, соответственно ча­стоты единичного усиления f 1кор. При этом прихо­дится использовать более высокочастотные мик­росхемы, которые, как правило, обладают мень­шей радиационной стойкостью. Во-вторых, оно сопровождается заметным увеличением коэффи­циента передаточной функции интегрального операционного усилителя

b1кор = СкорRкор.эк + b1ис   величиной которого лимитируется (для предот­вращения перегрузки по входу) наибольшая амп­литуда выходного напряжения усилителя.

Кроме этого происходит увеличение ВПР в b1кор / b1ис  раз (причем часто 1кор / b1ис  > 10) Возрастает амп­литуда отклонения выходного напряжения при ИИИ. Необхо­димо учитывать еще один недостаток коррекции интегрирующим конденсатором, заключающим­ся в следующем. Если из-за радиационного воз­действия сопротивление Rкор.эк уменьшается на­столько, что оно становится меньше Rкор.эк < (b2исF)1/2/Cис, то выбранная микросхема оказывается непригод­ной 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 (см. рис.4).

Этот способ коррекции ли­шен тех недостатков, свойственных коррекции по­средством Скор, и по своей эффективности уступает только коррекции включением быстродействую­щего канала. Коррекция резистивно-емкостной це­пью особенно эффективно в усилителях на трансимпедансных ИОУ.

В настоящее время большинство ИОУ выпускаются с внут­ренней коррекцией, в которых Скор обеспечивает нормальную работу микросхемы с обратной свя­зью при коэффициенте усиления Ки, не меньше указанном 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, с тем, 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 просто 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 напряжения. В усилителях с токо­вым выходом, формирующих мощные им­пульсы тока с крутыми перепадами в низкоомной нагрузке с индуктивной реакцией, включают об­ратную связь по току.

Выбор последовательной ОС или параллельной однозначно решается в пользу пер­вой из них 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: 

 Kunoc» 1+R1/R2   и    Kunoc» 1+R1/Rд   (*)      где Rl и R2 - сопротивления резисторов в каналах обратной связи; Rд - выходное сопротивление датчика, напряжение которого усиливается. Из анализа соотношений (*) следует второй недостаток параллельной обратной связи, связан­ный с отклонением коэффициента усиления от номинальной величины, которое происходит из-за изменения сопротивления датчика Rд.

DKu/Ku  =   DR1/ R1  –  DR2/ R2

Это особенно опасно в аппаратуре, предназначен­ной для работы в длительное время в условиях ра­диационного воздействия, 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, пленочные резисторы) можно существенно уменьшить их рассогласующее действие при ра­диационном воздействии. В-третьих, так же как деградация сопротивлений DRд, DR1 DR2 влияет на точность усиления в области средних частот, из­менение емкостей DСД, DС1 DС2, 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 DС1 и DС2 можно существенно уменьшить, то деграда­ция DСД 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.

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

Насколько эффективны рекомендуемые спосо­бы улучшения сигнальных характеристик усили­телей, предназначенных для длительной эксплуа­тации в условиях стационарного радиационного воздействия, можно иллюстрировать на примере импульсного усилителя с коэффициентном усиле­ния Ки = 10 на микросхеме 153УД2. Чтобы исклю­чить самовозбуждение схемы потребовалось уве­личить емкость корректирующего конденсатора (Скор = 70 пФ) и ограничить значение коэффици­ента de³Ö2 (F - глубина OC). При этом время нарастания фронта переходной характеристики tн = 0.7 мкс при выбросе на вершине импульса e1 = 4.3%.

При реализации такого усилителя с коррекци­ей RC-цепью (см. рис.4) время нарастания фронта удалось уменьшить в 5.4 раза, т.е. оно ста­ло равным 0.13 мкс при выбросе e = 2.9%.

Проверка на импульсные перегрузки по вход­ной цепи, лимитирующие наибольшую амплиту­ду выходного импульса Uвыхтиб, показала, что в схеме с Скор Uвьшпнб < 170мВ, тогда как примене­ние RC'-цепи позволило увеличить Uвыxmn6 в 8 раз, т.е. воспроизводить импульсы с крутыми перепа­дами наибольшей амплитудой Uъыхтнб = 1.35В!

Чтобы можно было реализовать усилитель с Ки= 10; tн = 0.13 мкс применением коррекции инте­грирующим конденсатором Скор, то надо было ис­пользовать интегральные операционные усилители с частотой единичного усиления f1ис = 38 МГц, т.е. в 5.4 раза большей f1ис, чем у 153УД2. При этом на­ибольшую амплитуду Uвыхотнб все равно не удается увеличить до уровня 1.35В. Учитывая, что более высокочастотная схема, как правило, менее радиационно-стойкая, то достоинства радиационных средств - очевидны! Аналогичные результаты получены и в широ­кополосных усилителях.

Уменьшение ВПР электронной аппаратуры.

Эта проблема возникает при проектировании электронной аппаратуры, предназначенной для работы в условиях кратковременного воздейст­вия мощного ионизирующего импульса, приводя­щего к сбою работы устройства или нарушению его нормального режима. При этом происходит существенное отклонение выходного напряже­ния интегрального операционного усилителя от нуля DUвых, амплитудой которого определяется уровень бессбойной работы аппаратуры, а време­ни спада DUвых до уровня, когда восстанавлива­ется нормальная работа усилителя, устанавлива­ется время восстановления работоспособности.

Как показывают исследования, продолжи­тельность ВПР в значительной степени определяется передаточной функцией усилителя: она уменьша­ется с увеличением глубины ОС F и с уменьшением коэффициентов передачи b2кор и b1кор. Поэтому и в данном случае коррекция инте­грирующим конденсатором Скор приводящую к увеличению b2кор=b2ис(1+Скор/Сис)  в  (1+Скор/Сис) раз, а b1кор=b1ис+СкорRкор.эк на величину СкорRкор.эк сопровождается ухудшением показате­лей усилителя, характеризующих его радиацион­ную стойкость: происходит существенное увели­чение ВПР и некоторое возрастание уровня бессбойной работы, определяемое увеличением амплиту­ды  DUвых.

Заметное сокращение времени восстановления работоспо­собности и увеличение уровня бессбойной работы происходит опять же при коррекции RC-цепью в канале обратной связи.

Т.е. по всем характеристикам в условиях ионизирующих спецвоздействий более целесообразным является использование  ИОУ с коррекцией резистивно-емкостными связями в канале после­довательной ОС.

Список литературы.

1.      Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в  интегральных микросхемах/Под ред. Т.М. Агаханяна. М.: Энергопромиздат, 1989.

2.      Агаханян Т.М. Проектирование радиационно-стойких электронных усилителей на ИОУ

3.      Оболенский С.В. Физико-топологическое моделирование характеристик субмикронных полевых транзисторов на арсениде галлия с учетом радиационных эффектов // Труды 3-го совещания по проекту НАТО SfP–973799 Semiconductors.// Нижний Новгород, 2003

4.      Бойченко Д. В. , Никифоров А. Ю.  Исследование влияния технологии на радиационную стойкость ОУ.// Радиационная стойкость электронных систем. Научно-технический сборник. 2000 / СПЭЛС

5.      Агаханян Т.М. Схемотехнические способы повышения радиационной стойкости электронных усилителей на аналоговых микросхемах.// Микроэлектроника, 2004, том33, №3.

6.      Агаханян Т.М., Никифоров А.Т. Прогнозирование эффектов воздействия импульсного ионизирующего излучения на операционные усилители.// Микроэлектроника, 2002, том 31, №31

7.      Goddard Space Flight Center. TOTAL DOSE CHARACTERIZATION TESTS// http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/TIDPart.html

8.      Агаханян Т.М. Синтез аналоговых устройств : Учебное пособие// М.: МИФИ, 1989

Страницы: 1, 2, 3