Воздействие радиационного излучения на операционные усилители (стр. 2 из 4)

В каскаде ОИ отклонение тока стока ΔI_к от своей номинальной величины, вызываемое радиационными эффектами, определяется изменением смещения на затворе, сдвигом напряжения отсечки и изменением статической крутизны характеристики.

Усилительные характеристики каскада ОИ изменяются из-за изменений крутизны характеристики транзистора S, его входного и выходного сопротивлений. Постоянные времени

t_вх » С_вхR_{г ;} t_вsх » С_н._выхR_сн

характеризующие высокочастотные свойства каскада ОИ, могут изменяться, если наблюдается заметное изменение паразитных емкостей С_вх и С_н.вых которые складываются из межэлектродных емкостей транзистора, емкостей монтажных площадок и емкости нагрузки.

Дифференциальные каскады.

Принято считать, что стойкость аналоговых интегральных микросхем к спецвоздействиям определяется, прежде всего, радиационными эффектами во входных каскадах, в качестве которых, как правило, применяют дифференциальные каскады (за исключением трансимпедансных ИОУ).В дифференциальном каскаде приведенное ко входу отклонение выходного напряжения от своей номинальной величины, вызываемое действием эффектов смещения и ионизации, определяется формулой

(где K_вл.ип коэффициент влияния нестабильности напряжений источников питания, обусловленных радиационными эффектами)

Представленное соотношение применимо для дифференциальных каскадов, включенных в аналоговые ИМС с изоляцией диэлектрической пленкой. В ИМС с изоляцией р-п-переходом в ряде случаев требуется учет паразитного р-п-р-транзистора, образуемого базовым и коллекторным слоями рабочего транзистора и подложкой ИМС.

Благодаря высокому коэффициенту подавления синфазных сигналов, образуемых перепадами ионизационных токов как на входах, так и на выходах, разность выходных напряжений и входной ток сдвига изменяются незначительно. Поэтому отклонение выходного напряжения от нуляопределяется не входным дифференциальным каскадом, а реакцией последующих каскадов.

Существенно меняется входной ток смещения; это ток, который определяется не разностью токов, а их средним значением, изменение которого определяется изменением b_N. Отклонение выходного напряжения происходит также из-за радиационной нестабильности тока в эмиттерах.

В аналоговых ИМС с дифференциальным каскадом на входе в качестве пары используют униполярные транзисторы с управляющим p-n-переходом. При этом токи затворов определяются токами обратносмещенных p-n-переходов — затворов. Как известно, МДП-транзисторы обладают меньшим входным током, чем транзисторы с управляющим p-n-переходом. Однако МДП-транзисторы очень чувствительны к импульсным помехам, поэтому при использовании их во входных каскадах требуется защита входов диодами, токи утечки которых сводят на нет преимущества МДП-транзисторов. Необходимость диодной защиты отпадает в ИМС с внутрисхемной связью входа аналоговой части схемы с предшествующими схемами. При этом использование МДП-транзисторов в качестве дифференциальной пары позволяет заметно уменьшить I_вхсм и I_вх._сд определяемые токами утечки диэлектрических затворов.

Действие переходных ионизационных эффектов можно оценить при помощи моделей дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах (рис. 1а) и униполярных транзисторах с управляющим p-n-переходом (рис. 16).

Рис. 1. Модели дифференциальных каскадов для анализа переходных ионизационных эффектов: (а) - на биполярных транзисторах; (б) - на униполярных транзисторах с управляющим p-n-переходом.

В этих схемах фототоки источников стабилизированного тока I₀ непосредственно не учитываются, так как их действие подавляется (так же как действие всяких синфазных помех). Косвенное влияние этих фототоков, приводящее к изменению тока I₀ в эмиттерах или истоках транзисторных пар, удобно учитывать наряду с другими причинами изменения этого тока, представив, что при облучении

ток I₀ изменяется в (1 + a_ф) раз (где a_ф - коэффициент изменения тока I₀).

В модели на рис.1,а действие фототоков, образуемых потоком носителей через коллекторные переходы, которые генерируются в базах транзисторных пар Т1 и Т2, учитываются посредством источников тока I_фкп1 и I_фкп2 (влиянием фототоков, образуемых потоком носителей через эмиттерные переходы Т1 и Т2, пренебрегаем). Фототоки, которые возникают в коллекторных слоях транзисторов Tl, T2 и прилегающих к ним областях подложки с изолирующими р-п-переходами, учитываются источниками токов, шунтирующих коллекторные и эмиттерные переходы паразитных транзисторов Т_П1, Т_П2и источниками фототоков I_фип1, I_фип2. Для упрощения моделей аналогичные паразитные транзисторы, связанные диффузионными резисторами, не показаны.

В модели на рис.1,б учтены фототоки, возникающие в каналах транзисторов Tl, T2 и прилегающих к каналам слоях подложки и изолирующих р-n-переходах. Действие ионизирующих излучений приводит к отклонению от нуля выходного напряжения дифференциального каскада.

Влияние ионизационных эффектов, вызываемых воздействием электронного, высокоэнергетического нейтронного и g-излучений, проявляется прежде всего в виде заметного увеличения токов утечки и канальных токов, что приводит к росту входных токов смещения I_вхсм и сдвига I_вхсд. Происходит также уменьшение коэффициента передачи тока базы b_N, влияющее как на точностные характеристики каскада, так и на его усилительные параметры. Может происходить заметное изменение выходных потенциалов каскада вследствие роста тока I₀ стабилизированного источника.

Анализ влияния поверхностных ионизационных эффектов требует более подробной информации о топологических и технологических особенностях изготовления элемента ИМС, а также об изменениях заряда в приповерхностных слоях. Для этого обычно используют тестовые структуры.

Как показывает анализ, приведенное к входу импульсное отклонение собственного выходного напряжения дифференциального каскада (а не всего ИОУ) от номинальной величины оказываются не столь заметными, несмотря на существенное увеличение входных токов ИОУ при импульсном воздействии.

В литературе отмечается, что отклонение выходного напряжения ИОУ от нуля при спецвоздействии обусловлено не изменением выходных потенциалов дифференциальных каскадов, а в основном происходит из-за нарушения режима по постоянному току выходных повторителей, причем это отклонение имеет одну и ту же полярность, т.е. выходное напряжение отклоняется в сторону положительного источника питания. Экспериментально было проверено, действительно ли влияние фототоков в выходных повторителях является определяющим.

Влияние ИИ на шумовые характеристики дифф-каскада.

В каскадах на биполярных транзисторах в области средних и высших частот шумового спектра, где преобладают дробовой шум токораспределения i_ш.к и тепловой шум объемного сопротивления базы e_ш.б, при облучении уровень шумов возрастает в результате деградации коэффициента передачи тока базы b и увеличения объемных сопротивлений.

Влияние теплового шума сопротивления коллекторного слоя e_шк, а также шумовых сигналов паразитного транзистора i_шфи, i_шfи не так существенно. В области низших частот преобаладают шумы со спектром 1/f, атакже низкочастотные шумы фототоков. Анализ низкочастотных шумов усложняется тем, что их изменение при облучении определяется не только объемными эффектами, но и поверхностными. Действие ионизирующих излучений приводит не тоолько к повышению уровня низкочастотных шумов, но также к увеличению граничной частоты f_ш, т.е. к сдвигу их спектральной плотности в область более высоких частот.

В дифференциальных каскадах на униполярных транзисторах в области средних и высших частот, где преобладают тепловой шум канала i_шс и дробовой шум тока затвора i_ш._з шумы при облучении возрастают из-за уменьшения крутизны характеристики транзистора Sи увеличения тока затвора вследствие роста тока генерации в управляющем р-n-переходе. Возрастают также низкочастотные шумы, обусловленные флуктуациями заряда токов генерации—рекомбинации в обедненном слое изолирующего р-n-перехода. При этот относительное увеличение шумового сопротивления практически не зависит от частоты.

Уровень собственных шумов каскада повышается из-за шумов фототоков, особенно при высоких импедансах источника сигнала.

Уровень шумов дифференциального каскада зависит также от схемы подачи входного сигнала и съема выходного напряжения. На практике нередко подают сигнал только на один из входов каскада По отношению к этому входу интенсивность первичного шумового напряжения возрастает.

Сравнение дифференциальных каскадов на биполярных и униполярных транзисторах по их шумовым показателям в области средних частот показывает, что в первых из них при работе от источников с R_г >> 10³ Ом уровень шума выше. Следует иметь в виду, что каскады на униполярных транзисторах менее критичны к выбору оптимального сопротивления источника входного сигнала, а поэтому изменение условия оптимальности при облучении не приводит к дополнительному увеличению шума.

Радиационные эффекты в ИОУ.

Воздействие ИИ на параметры ИОУ.

Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют собой высококачественные прецизионные усилители, которые относятся к классу универсальных и многофункциональных аналоговых микросхем. Радиационная стойкость аналоговых ИМС определяется не только влиянием ионизирующих излучений на характеристики элементов микросхемы, но она зависит также от структуры ИМС и схемотехнических особенностей. Поскольку большинство современных аналоговых ИМС построены по структуре ИОУ, то на их примере можно выяснить влияние радиационных эффектов на характеристики аналоговых микросхем.