Радиационно-стойкий инструментальный усилитель на базе парафазного мультидифференциального ОУ

Электроника, технологии производства материалов электронной техники

УДК 621.372

С.Г. Крутчинский, А.Е. Титов, В.А. Радченко

РАДИАЦИОННО-СТОИКИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ УСИЛИТЕЛЬ НА БАЗЕ ПАРАФАЗНОГО МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ОУ

Создание радиационно-стойких инструментальных усилителей (ИУ) предполагает использование как специализированной компонентной базы радиационно-стойкой технологии, так и набора специальных схемотехнических решений. Один из наиболее эффективных вариантов реализации радиационно-стойкого ИУ с высоким дифференциальным коэффициентом усиления заключается в использовании двухка-нальной структуры с сумматором на базе муль-тидифференциального ОУ (МОУ) [1]. Однако такие параметрически и структурно оптимизированные инструментальные усилители требуют относительно высокого потребляемого тока (70 = 100 мА.. .120 мА). Это объясняется тем, что изменение их режимов работы приводит к высокой нестабильности параметров устройства в условиях воздействия радиационной дозы, потока нейтронов и температуры.

Как показано в [2], низкое напряжение дрейфа нуля инструментального усилителя требует сохранения двухканальной структуры дифференциального усиления (преобразования) и дифференциального сумматора с единичным коэффициентом передачи. Этот принцип преобразования связан с созданием парафазных (полностью дифференциальных) каналов с масштабированной амплитудой входных напряжений. При этом необходимым условием является усиление дифференциального напряжения при ослаблении его синфазной величины. Именно это требует созда-

ния нового типа операционного усилителя - пара-фазного мультидифференциального ОУ (ПМОУ). Реализуемость такого усилителя базируется на сформулированных в [3] подходах к построению входных дифференциальных каскадов, структурно обеспечивающих минимизацию коэффициента передачи синфазного напряжения при сохранении дифференциального коэффициента передачи. Структурная схема такого ИУ приведена на рисунке.

Базовым узлом радиационно-стойкого ИУ является парафазный МОУ, имеющий два автономных выхода. Реализация высокого коэффициента ослабления синфазного напряжения в канале т_1-, т_1 + обеспечивает низкие синфазные напряжения на выходах - ои_1, ои_2. Именно это позволяет использовать сумматор на базе МОУ с относительно небольшими граничными напряжениями. Указанная особенность является основной в его архитектуре и определяет главную стратегию схемотехнического проектирования.

В этом случае ее дифференциальный коэффициент усиления определяется следующим соотношением:

К =-1-

д 1/с сл

где ру - передача цепи отрицательной обратной

связи с /'-го выхода парафазного МОУ; Кс+, Кс- -

коэффициенты передачи по неинвертирующему

(+) и инвертирующему (-) входам сумматора; ц -

статический коэффициент усиления этого ОУ.

Структурная схема инструментального усилителя

Таким образом, при высоком ослаблении синфазного сигнала в базовом МОУ в1 и Р2 влияют только на численное значение К , и их можно вы-

д'

бирать одинаковыми без увеличения параметрической чувствительности Кд.

Как отмечалось в [4], мультидифференциаль-ные свойства ОУ реализуются за счет параллельной работы отдельных дифференциальных каскадов на PADJ транзисторах с токовым выходом, поэтому в структуре парафазного МОУ использована дополнительная компенсирующая (следящая) связь, направленная на уменьшение коэффициента передачи синфазного напряжения [5]. Парафазный выход обеспечивается двумя идентичными по своей структуре промежуточным и выходным каскадами. Качественные показатели этих каскадов обеспечиваются цепями компенсации й-параметров p-n-p транзисторов в динамических нагрузках. Дифференциальный сумматор реализован на этих же каскадах и имеет только параметрические отличия, связанные с реализацией необходимого входного граничного напряжения. Рассматриваемый инструментальный усилитель реализует следующий дифференциальный коэффициент усиления:

Кд =

д r Ru1

где Ru1, Ru2 - сопротивления истоковых цепей PADJ транзисторов первого и второго каналов дифференциального сумматора.

Приведенное соотношение реализуется с погрешностью

АКП R /

Кд г /

определяемой статическим коэффициентом усиления ц парафазного МОУ. При реализации относительно больших численных значений дифференциального коэффициента усиления (Кд > 40 дБ) выбор глубины обратной связи в ПМОУ должен осуществляться решением системы, образованной соотношениями (2) и (3). Следовательно, относительная нестабильность этого параметра

ДЛГ К 0

в основном определяет максимальное значение Кд. Здесь 8ц, 0R, 0r, ©R , ©^ - относительные изменения параметров ОУ (ц) резисторов цепи обратной связи и соответствующих сопротивлений истоковых цепей. Именно поэтому указан-

ные выше особенности реализации отдельных каскадов парафазного МОУ, направленные на уменьшение погрешности , способствуют повышению Кд. Действительно, как это следует из (2) и (4), нестабильность дифференциального коэффициента усиления будет определяться погрешностью сопротивлений цепи обратной связи (©я - ©г) и сопротивлений истоковых цепей сумматора (© к - ©^). В связи с этим относительно высокая идентичность резисторов АБМК обеспечивает высокую стабильность дифференциального коэффициента усиления Кд.

Важной особенностью рассматриваемой схемы являются структурные и параметрические условия, обеспечивающие минимизацию напряжения дрейфа нуля:

идР - (*Ам1

^оссн_МОУ _МОУ )КС >

где E ., E

^ смР с

смР см МОУ

- ЭДС смещения парафазного и мультидифференциального ОУ; Коссн_МОу - коэффициент ослабления синфазного напряжения МОУ.

Для парафазного МОУ Есм1 определяется Дизи входных PADJ транзисторов и поэтому под действием суммы дестабилизирующих факторов достигает значительных величин (100 мВ). Однако большое значение коэффициента ослабления синфазного напряжения МОУ (>100дБ) позволяет реализовать усиленное неравенство между первым и вторым слагаемыми соотношениями (5) при относительно большом (до 60 дБ) дифференциальном коэффициенте усиления К . Таким образом, дрейф нуля схемы ИУ минимизируется

при К = 1 и определяется практически только Е МОУ.с см

Указанные особенности позитивно влияют и на реализуемый настоящей схемой коэффициент передачи синфазного напряжения:

К ~ 2К  К  К .„,,.,

оссн д оссн оссн МОУ'

где Коссн - коэффициент ослабления синфазного напряжения ПМОУ.

Параметры разработанного инструментального усилителя при воздействии потока нейтронов, дозы радиации и температуры окружающей среды представлены в таблице.

Достоверность полученных результатов подтверждается моделированием принципиальной схемы в среде PSpice с использованием достоверных моделей АБМК и методики, предложенной в работах [6, 7].

4

Электроника, технологии производства материалов электронной техники^

Результаты моделирования ИУ

Параметры Воздействие ^^^^^^^^^ K, д' дБ f , 'гр д' МГц K , сн' дБ f , J гр сн' кГц U , др' мкВ и, В/мкс t, п' мкс

F = 0, D = 0, t° = 0 n ' 60 1,2 -100 5,3 -26 10 ^^ ^^ 10 0,5 ^^ ^^ 0,5

F = 5-1013 н/см2 n 60 1,17 -100 2,1 -85 10 ^^ ^^ 10 0,5 ^^ ^^ 0,5

D = 100 крад 60 1,2 -100 4,2 -47 10 ^^ ^^ 10 0,5 ^^ ^^ 0,5

D = 500 крад 60 1,17 -100 2,5 -106 10 ^^ ^^ 10 0,5 ^^ 0,5

t° = -40 °С 60 1,48 -100 5,1 34 11 ^^ ^^ 2,5 0,5 ^^ 0,5

t° = +80 °С 60 1,05 -100 5,1 -182 9 ^^ ^^ 9 0,6 0,6

F = 5-1013 н/см, D = 500 крад, t° = -40 °С 60 1,4 -100 1,5 -184 11 1,6 0,5 0,5

F = 5-1013 н/см, D = 500 крад, t° = +80 °С 60 1,02 -100 1,5 -295 9 9 0,6 >0,6

Примечание: Кд - коэффициент усиления дифференциального сигнала;/гр_ д - граничная частота; Кд, Ксн - коэффициент ослабления синфазного напряжения;/гр сн - граничная частота; Ксн, идр - напряжение дрейфа нуля усилителя; и - скорость нарастания импульса по положительному и отрицательному фронтам; ( - длительность переходного процесса, потребляемый ток /„ = 40 мА, Е = ±5 В, С. , = С , = 1,25 В

Таким образом, разработанный радиационно-стойкий инструментальный усилитель на основе парафазного мультидифференциального операционного усилителя и сумматора на базе МОУ, обладает высокими качественными показателями под воздействием гаммы дестабилизирующих факторов (потока нейтронов, дозы радиации и температуры) и практически не уступает двухканальному инстру-

ментальному усилителю на МОУ [1] при существенном (в 2^3 раза) уменьшении потребления тока.

Целесообразно подчеркнуть, что за исключением дрейфа нуля по совокупности основных параметров предложенная схема не уступает своим нерадиационно-стойким аналогам (например, AD8426, Analog Devices [8]), выполненным в рамках прецизионной технологии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Титов, А.Е. Радиационно-стойкий инструментальный усилитель [Текст] / А.Е. Титов // Сб. конкурсных научно-исследовательских работ магистров, аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса. -СПб.: ЛЭТИ, СПбАПР, 2011. -С. 327-332.

2. Титов, А.Е. Двухканальные прецизионные инструментальные усилители для радиационно-стойких систем на кристалле [Текст] / А.Е. Титов // Изв. ЮФУ Технические науки. Тематический выпуск «Методы и средства адаптивного управления в энергетике». -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. -С. 64-70.

3. Krutchinsky, S.G. Structural optimization of

differential stage operational amplifiers [Text] / S.G. Krutchinsky, A.E. Titov, M.S. Tsibin // International Conf. on Signal and Electronic System (ICSES'10). -Gliwice, Poland: Institute of Electronics, Silesian University of technology, 2010. -P. 253-257.

4. Крутчинский, С.Г. Структурный синтез инструментальных усилителей на базе мультидифферен-циальных операционных усилителей (МОУ) [Текст] / С.Г. Крутчинский, А.Е. Титов // Изв. ЮФУ Технические науки. Тематический выпуск «Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии». -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. -C. 72-78.

5. Крутчинский, С.Г. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов [Текст] / С.Г. Крутчин-

ский, А.В. Нефедова // Изв. ЮФУ Технические науки. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. -№ 7. -С. 41-48.

6. Дворников, О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем: Ч 1. Учет влияния проникающей радиации в «Spice-подобных» программах [Текст] / О.В. Дворников, В.Н. Гришков // Сб. тр. IV Всерос. науч.-техн. конф. Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлек-тронных систем. -М.: ИППМ РАН, 2010. -С. 301-306.

7. Дворников, О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем

8. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http:// www.ti.com