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

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 С_кор, 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 С_кор обеспечивает нормальную работу микросхемы с обратной связью при коэффициенте усиления К_и, не меньше указанном в справочнике значения (К_и= 1;2;5;10). При радиационном воздействии эффективность влияния С_кор ослабляется из-за уменьшения R_кор._эк, что необходимо учитывать при проектировании усилителей, ориентируясь на большее значение К_ии, 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 илипараллельной однозначно решается в пользу первой из них по следующим причинам. Во-первых, при заданной глубине обратной связи Fсхема с последовательной обратной связью обеспечивает усиление на единицу больше, чем при параллельной обратной связи. В этом нетрудно убедиться, рассматривая приближенные формулы, определяющие коэффициенты усиления:

K_unoc» 1+R₁/R₂и K_unoc» 1+R₁/R_д(*) где R_l и R₂ - сопротивления резисторов в каналах обратной связи; R_д - выходное сопротивление датчика, напряжение которого усиливается.Из анализа соотношений (*) следует второй недостаток параллельной обратной связи, связанный с отклонением коэффициента усиления отноминальной величины, которое происходит из-за изменения сопротивления датчика R_д.

DK_u/K_u = 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 DR_д, DR₁DR₂влияет на точность усиления в области средних частот, изменение емкостей DС_Д, DС₁DС₂, 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 DС₁и DС₂можно существенно уменьшить, то деградация DС_Д определяется видом датчика.

В-четвертых, в схеме с параллельной ОС имеется всего две степени свободы (С₁и R₁), тогда как при последовательной обратной связи их четыре: R₁С₁R₂, 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 К_и = 10 на микросхеме 153УД2. Чтобы исключить самовозбуждение схемы потребовалось увеличить емкость корректирующего конденсатора (С_кор = 70 пФ) и ограничить значение коэффициента d_e³Ö2 (F- глубина OC). При этом время нарастания фронта переходной характеристики t_н= 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 U_выхтиб, показала, что в схеме с С_корU_вьшпнб < 170мВ, тогда как применение RC'-цепи позволило увеличить U_выxmn6в 8 раз, т.е. воспроизводить импульсы с крутыми перепадами наибольшей амплитудой U_ъыхтнб= 1.35В!

Чтобы можно было реализовать усилитель с К_и= 10; t_н = 0.13 мкс применением коррекции интегрирующим конденсатором С_кор, то надо было использовать интегральные операционные усилители с частотой единичного усиления f_1ис = 38 МГц, т.е. в 5.4 раза большей f_1ис, чем у 153УД2. При этом наибольшую амплитуду U_{выхотнб} 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 DU_вых, амплитудой которого определяется уровень бессбойной работы аппаратуры, а времени спада DU_вых 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 Fи с уменьшением коэффициентов передачи b_2кор и b_1кор. Поэтому и в данном случае коррекция интегрирующим конденсатором С_кор приводящую к увеличению b_2кор=b_2ис(1+С_кор/С_ис) в (1+С_кор/С_ис) раз, а b_1кор=b_1ис+С_корR_кор._эк на величину С_корR_кор._эк сопровождается ухудшением показателей усилителя, характеризующих его радиационную стойкость: происходит существенное увеличение ВПР и некоторое возрастание уровня бессбойной работы, определяемое увеличением амплитуды DU_вых.

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., СкоробогатовП.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