Воздействие радиационного излучения на операционные усилители (стр. 3 из 4)

Специализированные ИОУ частного применения, к числу которых относятся микросхемы с повышенным входным сопротивлением, прецизионные и микромощные ИОУ, быстродействующие усилители [11], обычно более чувствительны к остаточным радиационным эффектам, так как схемотехнические и технологические меры, применяемые для достижения предельных возможностей по каким-либо параметрам, как правило, приводят к снижению их радиационной стойкости. Особенно чувствительны к воздействию облучения ИОУ при работе в микрорежиме. Это объясняется тем, что в микрорежиме деградация параметров транзисторов происходит при более низких флюенсах.

Причиной нарушения нормальной работы ИОУ являются также переходные ионизационные эффекты, обусловленные образованием мощных импульсов фототоков во всех областях кристалла, включая не только области, где формированы рабочие транзисторы, диодные структуры, диффузионные резисторы, но также изолирующие и приповерхностные слои ИМС. Изоляция р-n-переходами является серьезным недостатком ИОУ, работающих в полях ионизирующих излучений. Воздействие γ-излучения, электронного и высокоэнергетического нейтронного (Е„ > 14 МэВ) излучений приводит к образованию через изолирующие p-n-переходы мощных фототоков, которые могут быть причиной нарушения электрической изоляции р- и n-областей, возрастания рассеиваемой мощности, возникновения тиристорного эффекта, пробоя как в рабочих, так и в паразитных транзисторах. Значительный вклад в образование фототоков вносят участки подложки, прилегающие к изолирующим p-n-переходам. Поэтому эти токи можно заметно уменьшить легированием подложки с тыльной стороны золотом, уменьшающим время жизни носителей в подложке. Наиболее эффективным способом уменьшения фототоков является применение диэлектрической изоляции, а также использование пленочных резисторов вместо диффузионных.

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 частотадля 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 ΔU_вхот, 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 ΔU_вх._отпоказана на рис.2, причем коэффициент усиления схемы К_ивыбирается в диапазоне от 10 до 1000 без должного обоснования. Напряжение отклонения от нуля рассчитывается по упрощенной формуле:

ΔU_вх._от = ΔU_вых/ K_u.

Критерий работоспособности ИОУ по параметру U_BXдля определения УБР и ВПР задается выражением

ΔU_вх._от £ ΔU_вх._{от норм} или ΔU_вых £ ΔU_вх._{от норм}K_u

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.

Марка ОУ	Параметры ОУ, подверженные радиации
OP 400	+Ib, -Ib, Gain_2k, Slew Rate
OP 467	+Ib, -Ib, Icc, Voh_2k
AD 620	+Ib, -Ib, PSRR_pos, +Swing, all of gain_errors
AD 845	Icc, P_PSRR_A, Vol
LF 147	None
LF 155a	+Ib, -Ib
LMC 6464	+Ib, -Ib, Ios, Voh_100k A-D, Vol_100k A-D, Slew Rate A-D, GBW A-D
OP 07 (0,14R(Si)/s)	VOS, P_IIB, N_IIB, IIOS, CMRR, P_AOL_2k, N_AOL_2k, Slew Rate
OP 07 (0,58R(Si)/s)	VOS, P_IIB, N_IIB, IIOS, CMRR, PSRR, VOUT, AOL, Slew Rate
OP 15	VOS, +Ibias, -Ibias, Iio
OP 27	VOS, P_IIB, N_IIB
OP 77	VOS_0V, P_IIB_0V, N_IIB_0V
OP 270	+Ib_A, -Ib_A, +Ib_B, -Ib_B, Ios_A, Ios_B, Open Loop Gain B
PA07M/883	Voffset
LM 10	VOS, P_IIB, N_IIB, IIOS, CMRR, PSRR, AOL, ASH, REF GAIN, V_FB, I_FB, Line Reg, Load Reg
OP 07A	VOS_0V, P_IIB_0V, N_IIB_0V, P_AOL, N_AOL, IIOS_0V, CMRR, +PSRR, -PSRR
AD 645	vio

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 С_кор, 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 f_1ис. 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 С_кор, во-первых, приводит к уменьшению импульсной добротности интегрального операционного усилителя в (1 + С_кор/С_ис)^1/2раз 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

b_1кор = С_корR_кор.эк + b_1ис величиной которого лимитируется (для предотвращения перегрузки по входу) наибольшая амплитуда выходного напряжения усилителя.

Кроме этого происходит увеличение ВПР в b_1кор /b_1исраз (причем часто _1кор /b_1ис> 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 R_кор.эк уменьшается настолько, что оно становится меньше R_кор.эк < (b_2исF)^1/2/C_ис, то выбранная микросхема оказывается непригодной для обеспечения заданного усиления К_uс требуемым быстродействием. При этом требуется выбирать более высокочастотный интегральный операционный усилитель (независимо от того коррекция внутренняя или внешняя).