Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 41 УДК 621.3.049 РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ Дворников О.В.1, Дятлов В.Л.1, Чеховский В.А.2, Старченко Е.И.3 1 Минский научно-исследовательский приборостроительный институт, г. Минск, Республика Беларусь 2Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий Белорусского государственного университета, г. Минск, Республика Беларусь 3 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, г. Шахты, Российская Федерация Рассмотрены проблемы создания специализированных аналоговых микросхем для применения в датчиках. Для обеспечения экономической эффективности при небольших объемах выпуска предложено изготовление радиационно-стойких микросхем осуществлять на базовых струк- турных кристаллах (БСК). Описан подход к проектированию микросхем, включающий: реко- мендации по выбору номенклатуры и количества аналоговых компонентов БСК, типов приме- няемых активных и пассивных элементов; схемотехнические решения аналоговых компонен- тов с программируемыми параметрами и малой чувствительностью к воздействию прони- кающей радиации. (E-mail: oleg_dvornikov@tut.by) Ключевые слова: датчики, аналоговая интегральная микросхема, радиационная стойкость. Введение Для производства аппаратуры, содержащей датчики, обычно необходима широкая номен- клатура аналоговых устройств, оптимизиро- ванных для работы с различными чувствитель- ными элементами датчиков [1]. В ряде случаев, например в космической и военной промыш- ленности, ядерной энергетике, аппаратура должна удовлетворять взаимоисключающим требованиям по уровню технических и эконо- мических характеристик, в том числе обеспе- чивать высокую надежность, низкую стоимость при малых объемах изготавливаемой продук- ции, сохранение основных электрических па- раметров при воздействии проникающей ради- ации. Так, увеличение надежности часто дости- гается при замене большого количества радио- электронных изделий специализированными интегральными микросхемами (ИС) высокой степени интеграции, значительное повышение радиационной стойкости ИС возможно за счет применения специальных технологических маршрутов [2]. При этом стоимость разработки и серийного изготовления специализированных микросхем возрастает настолько, что их при- менение в аппаратуре становится экономически неприемлемым. Проведенный нами анализ позволил уста- новить, что реализация радиационно-стойких аналоговых устройств для датчиков целесооб- разна на базовых матричных (БМК) и базовых структурных (БСК) кристаллах [3]. Проектиро- вание микросхем на БМК подробно рассмот- рено в ряде работ [4–6]. Специализацию (про- граммирование) БМК осуществляют путем формирования межсоединений на ранее изго- товленных полупроводниковых пластинах с размещенными активными и пассивными эле- ментами. Межсоединения формируются на предприятии – изготовителе микросхем, а раз- работка осуществляется на уровне элементов, что увеличивает сроки создания специализиро- ванной микросхемы и не исключает вероят- ность ошибок, невыполнения требований тех- нического задания по уровню параметров и ра- диационной стойкости. В отличие от БМК структурные кристаллы содержат как набор полностью сформирован- ных аналоговых компонентов (операционных усилителей (ОУ), компараторов напряжения и др.), так и активные и пассивные элементы, несоединенные между собой. Программирова- ние происходит на предприятии – изготовителе микросхем путем соединения известных ком- понентов и элементов. Наличие сертифициро- ванных, в том числе по стойкости к радиацион- ному воздействию, аналоговых компонентов существенно снижает «риск» проектирования, а временные и материальные затраты на созда- ние нового изделия меньше, чем при использо- вании БМК. Однако для применения структур- Средства измерений 42 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 ных микросхем необходимо предварительно разработать, изготовить и экспериментально апробировать необходимые аналоговые компо- ненты, которые должны быть максимально универсальными и позволять программировать выполняемые аналоговые функции и основные электрические параметры путем формирования различных межсоединений, ранее сформиро- ванных на пластине элементов и компонентов. Целью настоящей статьи являлось рас- смотрение разработанного подхода к проек- тированию радиационно-стойких аналоговых микросхем, выполняющих предварительную обработку сигналов чувствительных элементов датчиков. Подход к проектированию специализиро- ванных аналоговых микросхем В зависимости от внутреннего импеданса и схемы включения для предварительной (анало- говой) обработки сигналов чувствительных эле- ментов датчиков применяют зарядочувстви- тельные (ЗЧУ), трансрезистивные (ТРУ), неин- вертирующие, инструментальные (ИУ) усилители с разным коэффициентом преобразования и поло- сой пропускания [3]. Нами ранее создана универсальная аналого- вая микросхема [3], состоящая из ИУ, двух преду- силителей на ОУ с головными n-p-n биполярными транзисторами (БТ) и компенсацией входного то- ка, двух предусилителей на инвертирующих уси- лителях напряжения с «головными» полевыми транзисторами с p-n переходом и каналом p-типа (p-ПТП). Экспериментальная апробация показала, что разработанная микросхема позволяет реализо- вать необходимые для датчиков аналоговые устройства с высоким уровнем параметров, но применение горизонтальных p-n-p транзисторов ухудшает радиационную стойкость, номенклатура и количество выбранных аналоговых компонентов являются избыточными, а для питания мостовых схем необходим источник опорного напряжения (ИОН) с высокой нагрузочной способностью. С учетом указанного, а также имеющегося опыта по проектированию радиационно-стойких ИС [7–9] был выработан подход к проек- тированию специализированных аналоговых микросхем для аппаратуры, содержащей датчики: – реализация требуемых аналоговых функций и параметров целесообразна с использованием БСК, содержащего следующие компоненты и элементы: радиационно-стойкие ОУ, повторители напряжения с входными p-ПТП и высокой нагрузочной способ- ностью, источники опорного напряжения, наборы (магазины) резисторов и МОП-конденсаторов; – во всех аналоговых компонентах необхо- димо применять только p-ПТП и n-p-n транзи- сторы, использование горизонтальных p-n-p БТ не допускается; – количество необходимых компонентов зависит от требований, предъявляемых в кон- кретной аппаратуре, однако для БСК число ОУ должно быть не менее 5 (два для построения ЗЧУ или ТРУ, три – для ИУ), повторителей напряжения – 3, ИОН – 2; – аналоговые компоненты должны допускать изменение формы амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик, а также нагрузочной способности путем подключения разных RC-элементов из расположенных на кри- сталле магазинов; – необходимо обеспечить работоспособность последовательного соединения ОУ и повторителя напряжения для получения ОУ с высоким вход- ным импедансом (повторитель расположен перед ОУ) и ОУ с увеличенной нагрузочной способно- стью (повторитель – после ОУ). Особенности схемотехники и параметров аналоговых компонентов Отказ от применения p-n-p транзисторов значительно усложнил схемотехнический син- тез, так как затруднил реализацию повторите- лей тока («токовых зеркал») и двухтактных усилительных каскадов, а также заставил при- нять особые меры для уменьшения влияния на основные характеристики аналоговых компо- нентов допустимого технологического разброса параметров ПТП. Разработанные для базового матричного кристалла «АБМК_1_3» схемы ОУ, повторите- ля напряжения и ИОН показаны на рисунках 1– 3. Реализация первых образцов аналоговых компонентов БСК на «АБМК_1_3» обусловле- на экономическими соображениями. В дальней- шем все компоненты планируется перепроек- тировать для уменьшения занимаемой площади на кристалле и увеличения надежности и изго- товить в виде заказной микросхемы . Электрические схемы на приведенных ри- сунках отражают специфику проектирования микросхем на «АБМК_1_3» [10]: – необходимая величина сопротивления по- лучена с помощью последовательно-парал- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 43 лельного соединения резисторов, умощнение транзисторов (увеличение допустимого рабочего тока) осуществляется за счет параллельного со- единение однотипных транзисторов; – условные графические обозначения тран- зисторов включают наименование элементов «АБМК_1_3» (в качестве n-p-n транзисторов при- меняются элементы GC1E с минимальной площа- дью эмиттерного перехода, 2GC – с удвоенной минимальной площадью эмиттерного перехода, PAD2Q – мощный БТ, в качестве малошумящего p-ПТП – элемент PADJ) [10]; – в обозначении резисторов отражено со- противление, которое реализуется при опреде- ленном соединении расположенных на кристалле базовых резисторов фиксированной величины, равной 650 Ом, 1250 Ом, 5,8 кОм, 9,2 кОм. Так, резистор R1_1 на рисунке 1 обозначен как 3R 258. Это означает, что он образован тремя параллельно соединенными между собой резисторами с ре- зультирующим сопротивлением 258 Ом, то есть 3R 258 = 650||650||1250; – в некоторых местах для упрощения схемы приведено суммарное сопротивление цепочки ре- зисторов. Например, R3 = 108,6 кОм (рису- нок 1) – сопротивление цепи из 4 после- довательно соединенных резисторов 2R 15 кОм и 6 резисторов R 8,1 кОм. Особенностями ОУ, показанного на рисун- ке 1, являются: – отсутствие источника тока во входном дифференциальном каскаде (Q3, Q7); – применение каскада с активной нагрузкой на p-ПТП (Q12, Q14); – использование параллельного высокоча- стотного канала (Q1, R1, R2 и C1) и выходного каскада на n-p-n транзисторах (Q15, Q17) для уве- личения полосы пропускания и скорости измене- ния выходного напряжения. Многовариантное схемотехническое моде- лирование и параметрическая оптимизация позволи- ли выбрать типы применяемых активных элементов «АБМК_1_3» (GC1E, 2GC, PADJ) и режимы их ра- боты, обеспечивающие незначительное изменение коэффициента усиления (менее 13 %) и напряжения смещения нуля (от минус 0,799 до 2,899 мВ) при разбросе напряжения отсечки p-ПТП от 1,5 до 2,4 В, что обычно допустимо при реализации аналоговых устройств на ОУ. Кроме того, результаты моделиро- вания, приведенные в таблице 1, подтверждают вы- сокую радиационную стойкость разработанного ОУ. Схемотехническое моделирование выполнялось в системе проектирования OrCAD с использованием моделей активных и пассивных элементов, отража- ющих изменение параметров при воздействии про- никающей радиации [11]. Рисунок 1 – Схема операционного усилителя Средства измерений 44 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Рисунок 2 – Схема повторителя напряжения Таблица 1 – Основные параметры операционного усилителя при сопротивлении нагрузки 2 кОм и напряжении питания, равном ±5,0 В Параметр Результаты мо- делирования Ток потребления в режиме холостого хода, мА 5,3 Допустимое выходное напряжение, В от –4,7 до 3,3 Полоса пропускания при единичном усилении, МГц 259,4 Запас фазы при единичном усилении, градусов 51,5 Скорость нарастания (спада) выходного напряжения, В/мкс: 252 (339) Среднеквадратическое значение шума, приведенное к входу, мкВ в полосе частот до 1 МГц 7,48 в полосе частот до 10 МГц 24,22 в полосе частот до 100 МГц 188,22 Входной ток, мкА в нормальных условиях 0,55 при воздействии потока нейтронов 1014см-2 0,91 Напряжение смеще- ния нуля, мВ в нормальных условиях –1,466 при воздействии потока нейтронов 1014см-2 –1,235 Коэффициент уси- ления в нормальных условиях 46480 при воздействии потока нейтронов 1014см-2 28890 Схема ИОН со следящей обратной свя- зью на БТ и ПТП (рисунок 3) предложена и подробно рассмотрена в [12]. Она характери- зуется высокой нагрузочной способностью и слабой зависимостью выходного напряжения от напряжения питания из-за существенно большего выходного малосигнального сопро- тивления p-ПТП по сравнению с горизон- тальным p-n-p транзистором (для элементов «АБМК_1_3» в 6,7 раза) и стабилизации по- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 45 тенциала стока Q4 и коллектора Q6. ИОН чувствителен к разбросу напряжения отсечки p-ПТП, однако различие выходного напряже- ния компенсируется при изменении сопро- тивления резистора R5 на рисунке 3 в диапа- зоне от 2,5 до 5,0 кОм. В таблице 2 приведены результаты моде- лирования разработанного ИОН, которые под- тверждают возможность достижения предельно малого изменения параметров правильным вы- бором сопротивления резисторов. В то же вре- мя очевидно, что существующий техноло- гический разброс параметров делает необходи- мым подстройку сопротивлений резисторов на полупроводниковой пластине или, что не все- гда возможно, применение внешних подстро- ечных резисторов с температурным коэффици- ентом сопротивления, идентичным полупро- водниковым резисторам. Разработанный повторитель напряжения (рисунок 2) 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. Основные результаты моделирования по- вторителя показаны в таблице 3. Рисунок 3 – Схема источника опорного напряжения Средства измерений 46 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Таблица 2 – Основные параметры источника опорного напряжения при напряжении питания, равном 8 В, и сопротивлении нагрузки 150 Ом Наименование параметра Результаты мо- делирования Номинальное выходное напряжение при температуре, равной 27 С, В 2,955 Разность выходных напряжений при температурах, равных минус 60 и 125 °С, мВ 0,318 Максимальное отклонение выходного напряжения от номинального значения в температурном диапазоне от минус 60 до 125°С, мВ –3,559 +11,185 Максимальное отклонение выходного напряжения от номинального значения при изменении напряжения питания в диапазоне ±0,5 В, мВ ±0,046 Максимальное отклонение выходного напряжения от номинального значения при допустимом разбросе параметров n-p-n транзисторов, мВ –20,102 +31,173 Максимальное отклонение выходного напряжения от номинального значения при допустимом разбросе сопротивлений резисторов, мВ –19,517 +23,392 Максимальное отклонение выходного напряжения от номинального значения при воздействии потока нейтронов 1013 см–2 (1014 см–2), мВ 5,099 (47,586) Максимальное отклонение выходного напряжения от номинального значения при поглощенной дозе гамма облучения 500 кРад (1 Мрад), мВ 8,080 (25,264) Среднеквадратическое значение выходного шума, мВ 1,277 Таблица 3 – Основные параметры повторителя напряжения при сопротивлении нагрузки 2 кОм и напряжении питания, равном ±5,0 В Параметр Результаты мо- делирования Ток потребления в режиме холостого хода, мА 5,2 Максимальное входное напряжение для коэффициента передачи более 0,9, В ±2,4 Максимальное входное напряжение для коэффициента передачи более 0,5, В от минус 3,4 до 4,1 Скорость нарастания (спада) выходного напряжения, В/мкс 358 (521) Среднеквадратическое значение выходного шума, мВ 0,258 Максимальный входной ток в нормальных условиях, пА 1,000 Напряжение смеще- ния нуля, мВ в нормальных условиях –0,191 при воздействии потока нейтронов 1014см-2 17,050 Коэффициент пере- дачи в нормальных условиях 0,950 при воздействии потока нейтронов 1014см-2 0,945 Все разработанные аналоговые компо- ненты позволяют программировать основные параметры. Так, в операционном усилителе: – резистор RCOR3, включенный между уз- лами COR3 и VCC, позволяет увеличить коэф- фициент усиления ОУ при обработке отрица- тельной полуволны выходного напряжения (вытекающий ток из нагрузки) и низкоомной внешней нагрузке (рисунок 4) за счет увели- чения тока потребления в режиме холостого хода; – конденсатор СCOR12 (между COR1 и COR2) изменяет форму выходного импульса (рисунок 5), АЧХ и ФЧХ; – резистор RCOR4 (между COR4 и VEE/VCC) регулирует напряжение смещения нуля (VOFF). ОУ при схемотехническом моделировании был сбалансирован выбором сопротивления рези- стора R10 и его VOFF = –1,455 мВ. Уменьшение сопротивления R10 за счет параллельного включения RCOR4 позволяет плавно увеличить VOFF до 21 мВ. Если из-за разброса параметров Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 47 элементов напряжение смещения нуля ОУ име- ет положительное значение, то для его ми- нимизации целесообразно подсоединить боль- шое сопротивление (около 300 кОм) между уз- лами COR4 и VCC и, таким образом, сдвинуть величину VOFF в отрицательную область значе- ний, а затем, подсоединяя RCOR4 между COR4 и VEE, обеспечить VOFF ≈ 0. Для источника опорного напряжения: – резистор RCOR34 (между COR3 и COR4) изменяет разность выходных напряжений при крайних рабочих температурах; – резистор RCOR1 (между COR1 и «зем- лей»/VCC) позволяет минимизировать зависи- мость выходного напряжения от напряжения питания VCC; – конденсатор между COR2 и «землей» (любым источником постоянного напряжения) уменьшает уровень выходных шумов. Для повторителя напряжения: – резистор RCOR1 (между COR1 и VCC) поз- воляет увеличить скорость спада выходного напряжения (рисунок 6). Так, для внешней нагруз- ки, равной 500 Ом, скорость спада выходного напряжения растет от 243 В/мкс до 573 В/мкс; – резистор RCOR2 (между COR2 и VEE/VCC) изменяет напряжение смещения нуля от минус 63 до 69,5 мВ. а б Рисунок 4 – Зависимость выходного напряжения от входного для операционного усилителя с разомкнутой цепью обратной связи: а – при различном сопротивлении нагрузки (кривая 1 соот- ветствует сопротивлению нагрузки 10 кОм, 2 – 2 кОм, 3 – 500 Ом); б – при сопротивлении нагрузки 500 Ом и различных номиналах корректирующих резисторов RCOR3 (кривая 1 – без RCOR3, 2 – RCOR3 = 100 Ом) Схемотехническое моделирование также подтвердило работоспособность последова- тельного соединения ОУ и повторителя напряжения. Когда выход повторителя со- единен с входом ОУ, то полученное соедине- ние эквивалентно ОУ с высоким входным импедансом, частотой единичного усиления, равной 60 МГц, и запасом фазы на частоте единичного усиления около 61°. Соединение выхода ОУ с входом повторителя напряжения позволяет увеличить нагрузочную способ- ность и уменьшить отрицательный выброс на фронте спада выходного напряжения (рису- нок 7). Средства измерений 48 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Рисунок 5 – Выходной сигнал операционного усилителя, включенного в режиме неинверти- рующего повторителя напряжения, при сопро- тивлении внешней нагрузки 500 Ом и различ- ных емкостях корректирующих конденсаторов CCOR12. Кривая 1 – без CCOR12, 2 – CCOR12 = 1 пФ Рисунок 6 – Выходной сигнал повторителя напряжения при сопротивлении внешней нагрузки 500 Ом и различных номиналах кор- ректирующих резисторов RCOR1. Кривая 1 – без RCOR1 , 2 – RCOR1 = 50 кОм а б Рисунок 7 – Выходной сигнал операционного усилителя, включенного в режиме неинверти- рующего повторителя напряжения (кривая 1), и повторителя напряжения, соединенного с вы- ходом операционного усилителя, (кривая 2) при сопротивлении нагрузки 500 Ом: а – в нор- мальных условиях, б – после воздействия пото- ка нейтронов 1014 см–2 Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 49 Заключение Сформулирован новый подход к созданию радиационно-стойких аналоговых микросхем для датчиков, заключающийся в изготовлении микросхем на базовом структурном кристалле, содержащем полностью сформированные ана- логовые компоненты определенной номенкла- туры и количества, а также магазины резисто- ров и МОП-конденсаторов, причем получение требуемых аналоговых функций и параметров осуществляется путем различного соединения аналоговых компонентов и подключения RC- элементов из расположенных на кристалле ма- газинов. Использование в базовом структурном кристалле аналоговых компонентов, испытан- ных на стойкость к радиационному воздей- ствию, существенно уменьшает время проекти- рования и сертификации радиационно-стойких аналоговых микросхем. Для реализации подхода разработаны но- вые схемы операционного усилителя и источ- ника опорного напряжения и модифицирован повторитель напряжения с высоким входным импедансом. Все аналоговые компоненты син- тезированы только на n-p-n транзисторах и по- левых транзисторах с p-n переходом, что зна- чительно уменьшает изменение их параметров при радиационном облучении. Другой осо- бенностью разработанных компонентов явля- ется возможность программирования полосы пропускания, скорости нарастания выходного напряжения, нагрузочной способности для оп- тимизации отношения быстродействие / по- требляемая мощность. Список использованных источников 1. Мокров, Е. Состояние, проблемы и пути раз- вития датчикостроения на 2006–2015 гг. / Е. Мокров // Электронные компоненты. – 2007. – № 3. – С. 64–71. 2. Стешенко, В. Разработка и производство специализи- рованной ЭКБ для космических применений: текущее состояние и перспективы развития. Часть 1 / В. Сте- шенко // Компоненты и технологии. – 2010. – № 11. – С. 87–92. 3. Дворников, О. Универсальная аналоговая микросхема для датчиков / О. Дворников, В. Чеховский, В. Дятлов // Современная элек- троника. – 2011. – № 3. – С. 56–65. 4. Автоматизированное проектирование СБИС на базовых кристаллах / А.И. Петренко [и др.]. – М. : Радио и связь, 1989. – 160 с. 5. Быстродействующие матричные БИС и СБИС. Теория и проектирование / Б.Н. Файзулаев [и др.]. – М. : Радио и связь, 1989. – 304 с. 6. Импортозамещающая технология ПЛИС – БМК. Часть I. Разработка радиоэлектронной аппаратуры двойного применения / В. Ев- стигнеев [и др.]. // Компоненты и техноло- гии. – 2004. – № 7. – С. 80–86. 7. Старченко, Е.И. Особенности схемотехники операционных усилителей, стойких к воздей- ствию потока нейтронов / Е.И. Старченко // Микропроцессорные аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения : материалы III Международ. научно-практической конф. – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. – С. 19– 23. 8. Импортозамещающие практические разработ- ки и проекты ИС на базе радиационностойко- го АБМК / О.В. Дворников [и др.]. // Пробле- мы разработки перспективных микро- электронных систем – 2006. Сборник науч- ных трудов / под общ. ред. А.Л. Стемпков- ского. – М. : ИППМ РАН, 2006. – C. 200–205. 9. Дворников, О.В. Комплексный подход к про- ектированию радиационно-стойких аналого- вых микросхем. Часть 2. Базовые схемотех- нические решения АБМК 1-3 / О.В. Дворни- ков // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2010. – С. 283–288. 10. Абрамов, И.И. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем / И.И. Абрамов, О.В. Дворников. – Минск : Акад. упр. при Президенте Респ. Бе- ларусь, 2006. – 286 с. 11. Дворников, О.В. Комплексный подход к про- ектированию радиационно-стойких аналого- вых микросхем. Часть 1. Учет влияния про- никающей радиации в “Spice-подобных” про- граммах / О.В. Дворников, В.Н. Гришков // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. – М. : ИППМ РАН, 2010. – С. 301–306. 12. Старченко, Е.И. Стабилизаторы напряжения с компенсационно-параметрическими кана- лами: монография / Е.И. Старченко. – Шахты: ЮРГУЭС, 2009. – 108 с. Средства измерений 50 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Dvornikov O.V., Diatlov V.L., Tchekhovski V.A., Starchenko E.I. Radiation hardened analog IC for sensor Problems of specialized analog integrated circuit design for sensor equipments are considered. It is of- fered to produce of radiation hardened analog IC on structured chips for economic efficiency at small pro- duction volume. The approach to analog IC design is described, including recommendations for choice of: types and quantities of structured chip analogue components; active and passive components; schematic deci- sions of analogue components with programmed parameters and small sensitivity to radiation. (E-mail: oleg_dvornikov@tut.by) Key Words: sensors, analog IC, radiation hardened IC. Поступила в редакцию 15.09.2011.