Радиационно стойкий двухканальный инструментальный усилитель на базе МОУ

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Свизев Григорий Альбертович — Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге- e-mail: grits1989@mail. ru- 347 928, г. Таганрог, ул. Чехова, 22- тел.: +79 526 036 933- магистрант.
Svizev Grigory Albertovich — Taganrog Institute of Technology — Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University" — e-mail: grits1989@mail. ru- 22, Chekhova street, Taganrog, 347 928, Russia- phone:
+79 526 036 933- magister.
УДК 621. 372
A.E. Титов РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА БАЗЕ МОУ
Проектирование радиационно стойких инструментальных усилителей требует применение не только радиационно стойких технологий производства, но и эффективных схемотехнических решений, направленных на стабилизацию работы устройства в условиях радиационного воздействия — потока нейтронов, дозы радиации и температуры. В работе представлены результаты проектирования для техники аналогового базового матричного кристалла АБМКрадиационно стойкого инструментального усилителя на базе структурно оптимизированных мультидифференциальных операционных усилителей и результаты его моделирования в среде PSpice.
Радиационно стойкий инструментальный усилитель- минимальный дрейф нуля- коэффициент ослабления синфазного сигнал- радиация- поток нейтронов.
A.E. Titov RADIATION-RESISTANT TWO-CHANNEL INSTRUMENTATION AMPLIFIER ON THE BASE MOA
Design of radiation-resistant instrumentation amplifiers requires application not only radiation-resistant technologies, but also effective circuit decisions directed on stabilization of work of the device in the radiating influence conditions — neutron flux, radiation dose, temperature. In work results of designing of the radiation-resistant instrumentation amplifier on the base multidifferetial operational amlifiers for techniques analogue base matrix chip ABMC and results of modeling in the PSpice environment are presented.
Radiation-resistant instrumentation amplifier- the minimum zero drift- CMRR- radiation- neutron flux.
Создание радиационно-стойких аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов (АИ и АЦИ) смешанных систем в корпусе (СвК), ориентированных на взаимодействие с чувствительными элементами (сенсорами) мостового типа всегда предполагает применение инструментальных усилителей (ИУ) как с фиксированными, так и управляемыми параметрами, выполняющих функции подавления синфазного сигнала и усиление дифференциального напряжения. Эти устройства являются основой как для аналоговых портов, так и для целого класса сложнофункциональных блоков (СФ-блоков) СвК. Как с экономической, так и с технической точек зрения такие СФ-блоки в виде полупроводниковых кристаллов целесообразно ориентировать на технику соответствующих аналоговых базовых матрич-(),
ИС прошел биполярно-полевой АБМК [1]. Оригинальная топология макрофраг-
ментов, универсальные конструкции активных элементов и контактных площадок, хорошие частотные и шумовые характеристики, используемых п-р-п- и р-1ЕЕТ-транзисторов, позволяют реализовать на БМК широкий спектр аналоговых ИС. АБМК включает два идентичных канала, состоящих из двух макрофрагментов с фиксированным количеством расположенных на них элементов. Таким образом, номенклатура компонентов и структура макрофрагментов техники АБМК накладывает дополнительные ограничения на схемотехнику ИУ [2]. Но как показывает ,
обеспечить бесперебойную работу устройства в условиях радиационного воздействия свыше 50 крад. Поэтому необходимо дальнейшее развитие схемотехниче-,
при воздействии дозы радиации, потока нейтронов, температуры.
,
в себя три операционных усилителя и семь прецизионных резисторов (рис. 1).
Рис. 1. Классический инструментальный усилитель
Коэффициент передачи синфазного сигнала КС[[ в таком инструментальном усилителе зависит от погрешности соотношений резистивных элементов в структуре сумматора [3]:
Ксн=® к. (1)
Так в условиях радиационного воздействия изменение номиналов резистивных элементов для технологии АБМК составляет 1,5%, что приведет к значительному (до 30 дБ) снижению коэффициента ослабления синфазного сигнала Коссн:
к
К — си
осей К ¦ (2)
д
Поэтому при построении радиационно стойкого ИУ необходимо исключить резистивные элементы из структуры сумматора. Также погрешность синфазных напряжений исн на выходе операционных усилителей ОУ1 и ОУ2 зависит от погрешности отношения резисторов Кс1, Кс2 и г (см. рис. 1). Максимальное напряжение на выходах ОУ1 и ОУ2 будет определяться из следующих соотношений:
к к
ПоиО — исн -^иДИф, иои42 — исн + -^идиф, (3)
где исн — синфазное напряжение на выходе ОУ1 или ОУ2, идиф — дифференци-
альное напряжение на входе ИУ.
[3] ,
ОУ значение коэффициента передачи синфазного напряжения непосредственно
К.
Таким, образом, создание дифференциального сумматора, обеспечивающего прецизионное преобразование выходных напряжений (3), решает основную задачу повышения качественных показателей радиационно стойких ИУ.
Решением указанных проблем является использование в структуре радиационно стойкого ИУ мультидифференциального операционного усилителя (МОУ) (рис. 2). В этом случае дифференциальный коэффициент усиления инструментального усилителя определится соотношением
К = 2(1 + 2^) • -^, (4)
Г ^2
где Ии1, Ии2 — резисторы истоковых цепей р-ше транзисторов во входных дифференциальных каскадах МОУ [4]. Причем при их равенстве достигается мини-
3.
-Еп 1
Рис. 3. Особенность реализации ДН в МОУ
Особенности представленной архитектуры заключаются в использовании в каждом канале идентичных мультидифференциальных операционных усилителей, что позволяет:
1) —
фазных сигналов с погрешностью, обусловленной коэффициентом ослабления синфазного напряжения отдельных МОУ и, следовательно, заметно уменьшить требования к линейности их амплитудных характеристик и граничным напряжениям сумматора-
2), -,
-
3) —
го коэффициента усиления и, следовательно, предельно повысить его чис-.
Указанные свойства схемы такого двухканального ИУ позволяют также использовать его структурные степени свободы для упрощения схем отдельных МОУ и повышения радиационной стойкости интерфейса в целом.
Применение такой структуры позволяет исключить резистивные элементы из структуры сумматора [3]. Таким образом, при радиационном воздействии Ксн И У не зависит от (c)к в отличие от классической структуры
где Коссн. — коэффициент ослабления синфазного сигнала ьго МОУ.
Применение в каждом канале инструментального усилителя МОУ1 и МОУ2 (.. 2) 1 2 (.. 1)
синфазное напряжение исн и упростить входные каскады сумматора МОУ3.
, -ного усилителя определяется следующим соотношением:
С учетом того, что все МОУ, выполняется на одном кристалле, а МОУ3 используется только в качестве сумматора сигналов (Кд. м0у3=1), т0
идр. иу = Есм. моу3, поэтому при радиационном воздействии напряжение дрейфа
3.
, —
связано с разработкой нового типа мультидифференциальных ОУ [5] и требует пересмотра некоторых традиционных схемотехнических решений. Известно, что для технологии радиационно-стойкого АБМК наибольшей радиационной стойкостью обладают полевые р-1РЕТ-транзисторы и биполярные п-р-п-транзисторы, а наименьшей — боковые транзисторы р-п-р-типа [2]. При нейтронном облучении столкновения между нейтронами и атомами кремния приводят к появлению необратимых дефектов в кристаллическом решетке, уменьшающих время жизни неосновных носителей и их подвижность. В конечном счете, возникает деградация коэффициента усиления тока базы в схеме с общим эмиттером
где Р, Р0 — коэффициенты усиления тока базы после и до воздействия нейтронного излучения- т — время пролета неосновных носителей через базу- Б — плотность потока нейтронов- к — постоянная, зависящая от проводимости, удельного сопротивления полупроводниковых областей и уровня инжекции.
(5)
идр. ИУ _ идр. МОУ! идр. МОУ2 + идр. МОУ3.
(6)
1 1 т-Б
(7)
Р Ро к '
Таким образом, при построении мультидифференциальных операционных усилителей необходимо исключить возможность применения р-п-р-транзисторов в режимозадающих частях схемы. В разработанном радиационно стойком ИУ, реализация источников тока осуществлялась на п-р-п-транзисторах. Кроме того, были пересмотрены традиционные решения по проектированию динамических нагрузок (ДН). На рис. 3 показан вариант использования ДН на р-п-р-транзисторах с дополнительно введенным п-р-п-транзистором Т5 для стабилизации режимов работы при радиационном воздействии и компенсации изменения малосигнальных р-п-р-. -
, —
п-р-п-.
Кроме указных особенностей необходимо учитывать большое изменение тока, протекающего через полевые р-1ЕБТ-транзисторы при радиационном воздействии. Поэтому в структуре разработанного радиационно стойкого ИУ предусмотрена стабилизация этого тока в условиях воздействия радиации с помощью введенных дополнительных обратных связей. Кроме этого, увеличение тока способствует повышению линейности входных цепей МОУ при воздействии гаммы дестабилизирующих факторов (& gt- 250 мкА).
Совокупность указанных особенностей позволила разработать набор мульти-
(.. 2).
Дифференциальный коэффициент ИУ задается отношением резисторов в ОС и может варьироваться от 20 дБ до 60 дБ. Результаты моделирования разработанного радиационно стойкого инструментального усилителя (Кд = 60дБ) в среде РБрюе с
учетом воздействия гаммы дестабилизирующих факторов — потока нейтронов Бп, дозы радиации Б, а также изменение диапазона температур Т представлены в табл. 1. Достоверность соответствующих моделей проверена на практике.
Таблица 1
Радиационно-стойкий ИУ
Параметры Воздействие& quot-- К*& gt- дБ ґ гр_д ' кГц ксн, дБ ґ гр_сн ' кГц мкВ 1), В/мкс МКС
Без воздействия 60 53 -140 1,5 -173, 5 0,/ /1,3
Бп = 5е17 н/мл2 60 47 -140 1,3 -44. /м 0у /1,4
Б = 100 крад 60 51 -140 1,26 -108, 6 0Э/ у-ХА
Б = 500 крад 60 47 -140 1,29 -3, 4 ООИЛ 0,/ /1,5
Т = -40 °С 60 58 -140 1,49 -5 8,9-& quot-'-"- «-'-& quot-'-'-6,4 0,/ /1,1
Т = + 80° С 60 44 -140 2,4 -287
Бп = 5е17 н/мл2, Б = 500 крад, Т = -40 ° С 60 52 -140 1,36 +163 8,3/. /5,8 X
Бп = 5е17 н^л2, Б = 500 крад, Т = + 80 ° С 60 41 -140 2,45 -115 7/"& quot- УЛ, 9 Ж
Примечание: Кд — коэффициент усиления дифференциального сигнала, ґгр д — граничная частота К, Кн — коэффициент ослабления синфазного напряжения, ґгр сн —
граничная частота Кш, идр — напряжение дрейфа нуля усилителя, D — скорость нарастания импульса по положительному и отрицательному фронтам, tn — длительность переходного процесса, Еп =+/-5 В — напряжения питания, 1П — токи потребления.
Необходимо отметить, что в разработанном ИУ дрейф нуля как при любом из отдельно вышеперечисленных воздействий, так и при их суммарном воздействии не превышает 300 мкВ. Следовательно, учитывая, что уравнение для максимально допустимого напряжения дрейфа нуля для n-р^рядного аналого-цифрового преобразователя, используемого в АЦ-интерфейсе, имеет вид
идр = Ео-, (8)
где Е0 — опорное напряжение. Тогда если Е0 = 2,5 В, то разработанный ИУ можно использовать в микроэлектронных схемах с 12-р^рядным АЦП с предельной.
Интеграция предложенных в данной работе схемотехнических решений в структуру разработанного радиационно стойкого инструментального усилителя позволила получить высокие качественные показатели этого устройства при воз-
(.. 1).
, -ях (500 крад & lt- D & lt- 1 Мрад) для чего необходимо дополнительно изменить режимы работы ряда активных элементов, при этом потребление тока увеличится.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прокопенко HT., Старченко ET., Крутчинский С Т., Титов А Т. и др. Каталог разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники. — Шахты: Изд-во ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. — 479 с.
2. .,.. -функциональными возможностями // Chip News. — 1999. — № 2. — С. 21−23.
3.. -
стойких систем на кристалле // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2010. — № 1 (102). — С. 64−70.
4. .,. .,..
мультидифференциальных операционных усилителей с высоким ослаблением синфаз-. // 2010. /..
.. — .:, 2010. -. 537−543.
5. .,..
() //. -
ки. — 2009. — № 5 (94). — C. 72−81
.. .,.. .
Титов Алексей Евгеньевич — Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге- e-mail: alehan_26rus@mail. ru- 347 928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44- тел.: 88 634 371 773- аспирант.
Titov Alexey Evgen’evich — Taganrog Institute of Technology — Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University" — e-mail: alehan_26rus@mail. ru- 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347 928, Russia- phone:
+78 634 371 689- postgraduate student.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой