Схемотехника стабилизаторов напряжения, стойких к воздействию потока нейтронов

сообразным является использование биполярного ПНТ, так как его применение приводит к существенному расширения диапазона рабочих частот и снижению нелинейности проходной характеристики АПН, что, в свою очередь, ведет к уменьшению уровня регулярных составляющих в спектре выходного сигнала.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Starchenkko E.I., Dvornikov O.V, Shchyokin D.A. Low-voltage precision analogue multiplier with wide frequency range, Proceeding ICCSC'04 - M., 2004.

2. Старченко E. И., Гавлицкий AM. Аналоговые перемножители как базовые ячейки нелинейных СФ-блоков. Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сб. материалов международного науч.-практ. семинара. - Шахты: ЮРГУЭС, 2007.

3. Starchenko E. I., Krutchinsky S. G., Gavlicky A.I. Analogous voltage multiplier based on bipolar transistors and MOSFET - Proceeding ICCSC'08. - M., 2008.

4. Starchenko E.I., Krutchinsky S.G., Prokopenko N.N., Gavlicky A.I. Precision analogue multiplier - Proceeding ICCSC'06. - Bucharest, Romania, 2006.

5. John D. Cressler. SiGe HBT Technology: A New Contender for Si-Based RF and Microwave Circuit Applications - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 46, NO. 5, May 1998.

6. . ., . ., . ., . .

- . - -работки перспективных микро- и наноэлектронных систем 2008. - М.: ИППМ РАН, 2008.

Гавлицкий Александр Иванович

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказкий горно-метадлургический институт (государственный технологический университет)»

E-mail: Gavlicky@bk.ru

346500, Шевченко, 147, Шахты. Тел: 88636 22-20-37

Gavlicky Alexander Ivanovich

State educational institution of the higher vocational training «South Russian State University of Economics and Service»

E-mail: Gavlicky@bk.ru

147, Shevchenko, Shakhti, 346500, Phone: 88636 22-20-37 УДК 621.317

ЕЛ. Старченко

СХЕМОТЕХНИКА СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ, СТОЙКИХ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ

Рассматриваются вопросы проектирования интегральных стабилизаторов напряжения, обладающих радиационной стойкостью и предназначенных для изготовления в составе микроэлектронных устройств «система на кристалле».

Напряжения; кристалл.

E.I.Starchenko

VOLTAGE REGULATOR RADIATION-HARDENED CIRCUIT TECHNIQUE

Integral voltage regulator radiation-hardened circuit techniques, oriented for integration in the system-on-crystal are considered.

Voltage; crystal.

Стабилизатор напряжения (CH) является неотъемлемой частью систем электропитания любых радиоэлектронных систем, в том числе информационноизмерительных и управляющих систем, выполненных по технологии «система ». -ность первичного источника питания, температура, нестационарное токопотреб-ление, радиационная обстановка и т.д. Многие проблемы повышения стабильности выходного напряжения источников вторичного электропитания могут быть решены за счет хорошо зарекомендовавшего себя способа - введением контуров отрицательной обратной связи. Но увеличение глубины обратной связи порождает массу других проблем - обеспечение устойчивости, необходимых параметров переходных процессов и других. Кроме того, при радиационном воздейст-, , -сторов, одновременно с этим снижается и петлевое усиление. Поэтому эффективным методом повышения точностных показателей СН становится формирование дополнительных каналов параметрической компенсации [1], что позволяет при радиационном воздействии не только сохранять функциональную годность, но и обеспечивать отклонения выходного напряжения, не выше оговоренного в .

Проблеме создания радиационно стойких радиоэлектронных изделий в последние годы уделяется повышенное внимание. Наряду с созданием микроэлектронной элементной базы, то есть решению технологических проблем [2], на передовые рубежи выходит и специальная схемотехника [3, 4]. В настоящее время выпускается весьма ограниченная номенклатура интегральных микро-, , ( ),

[3]. -

. ( ) p-n-p- , -

n-p-n- , -

тельно теряют усилительные свойства при воздействии ионизирующего излучения и потока нейтронов, поэтому их практически не используют при разработке и изготовлении интегральных микросхем, стойких к потоку нейтронов и ионизирующего излучения [5]. В то же время транзисторы n-p-n-типа, а также полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа (p-JFET) обладают достаточно высокой радиационной стойкостью. Минским НПО "Интеграл" вы-

( 1,2),

своем составе транзисторы n-p-n-типа, боковые p-n-p- и p-JFET-транзисторы. В [5] ( 1,2),

, p-JFET- , - p-n-p- . -

тронном облучении столкновения между нейтронами и атомами кремния приводят к появлению необратимых дефектов в кристаллической решетке, уменьшающих время жизни неосновных носителей и их подвижность. В конечном

,

:

1 = _L TF в~То +~К ’

где Р, р0 - коэффициенты усиления тока базы после и до воздействия нейтронного излучения; т - время пролета неосновных носителей через базу; F - плотность потока нейтронов [n/см2]; К - постоянная, зависящая от проводимости, удельного сопротивления полупроводниковых областей и уровня инжекции (К = = 106...3 106 [n/ см2]). У транзисторов n-p-n-типа при потоке нейтронов 1012...1014 n/см2 Р падает до 50.70 (при р0 = 100.150) при токах коллектора до 250 ,

Р = 2.3 (при р0 = 15) [5]. Наряду с падением коэффициента усиления тока базы снижается и сопротивление коллектор-база, что также приводит к потере усилительных свойств биполярными транзисторами. Таким образом, при построении

n-p-n-

, p-n- p- (p-

JFET).

Источники опорного напряжения: Источник опорного напряжения ( ) -

изменении входного питающего напряжения и температуры окружающей среды. В настоящее время наиболее широко распространенными являются ИОН на основе ширины запрещенной зоны кремния. Однако сообщения о построении температурно стабильных ИОН, работающих в широком диапазоне, изменения радиационной обстановки в настоящее время в технической литературе отсутствуют. В [4] показано, что классический вариант ИОН на основе ширины запрещенной зоны кремния, так называемый «диод Видлара» [6], полностью теряет свою работоспособность уже при воздействии потока нейтронов с интенсивностью F=1012 n/ -с м2 . Это обусловлено тем, что закон изменения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора при радиационном воздействии зависит от , . -, , ,

,

база-эмиттер транзисторов, работающих при одинаковых плотностях токов, показывают вполне удовлетворительные результаты. Так, на рис.1 приведена модификация известной схемы ИОН, а на рис. 2 и 3 - результаты ее моделирования в среде PSpice. В частности, модификация известной схемы коснулась построения источника опорного тока на полевом транзисторе j1 (рис.1). Вполне очевид-, -тельно высокоомного дифференциального сопротивления стабилитрона D1 определит коэффициент стабилизации ИОН по напряжению. В то же время введе-

R7

.

,

R = SRmR6 7 1 + SR6 ’

S - ; R - -

тивление полевого транзистора со стороны стока, выходное сопротивление источника тока обращается в бесконечность [4].

И

и_111

Рис.2. Зависимость выходного напряжения от изменения входного

0тметим, что ПрИ введении резистора стабильность выходного напря-

жения в ИОН определяется шестым знаком после запятой, а при его отсутствии

- Третьим.

Из рис. 3 видно, что ИОН не только сохраняет работоспособность при радиационном воздействии, но до интенсивности потока нейтронов вплоть до 1013 п/см2 имеет относительную нестабильность не хуже 0,0005% во всем диапазоне изменения температуры, а при Г = 1014 п/см2 изменение напряжения ИОН со-1 .

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения ИОН (рис. 1) от температуры и относительный дрейф выходного напряжения (верхний плот) при различных уровнях радиационного воздействия (а - Г = 0; 0 - Г = 1010; V- Г = 1011;

А- Г = 1012; о - Г = 1013 ;  - Г = 1014)

Схемотехника радиационно стойких стабилизаторов напряжения:

При разработке радиационно стойких СН приходится отказываться от традиционных усилителей сигнала рассогласования, выполненных на дифференциальных каскадах (ДК). Это обусловлено возникновениями больших базовых токов , . того, применение транзисторов р-п-р-типа, как было сказано ранее, нецелесооб-.

В качестве примеров схемотехнического построения радиационно стойких СН в качестве базовой использована схема, приведенная на рис. 4 [4]. Одновременно достоинством и недостатком данной схемы является отсутствие делителя напряжения обратной связи, так как он интегрирован с опорным элементом. Недостаток заключается в том, что трудно устанавливать необходимое напряжение на выходе, так как оно определяется суммой напряжений база-эмиттер транзистора q3 и стабилитрона Бб, то есть может быть заданно только дискретно. Достоинство данного способа заключается в том, что коэффициент передачи цепи обратной связи близок к единице, что несколько повышает петлевое усиление. Кроме того, низкое дифференциальное сопротивление стабилитрона позволяет форсированно разряжать емкость нагрузки в нелинейном переходном процессе при сбросе тока нагрузки [7]. Наличие цепи компенсации нестабильности, обусловленной изменением входного напряжения (резистор Я2) позволяет получить коэффициент стабилизации несколько десятков тысяч. Проблемы температурной стабильности выходного напряжения в СН такого типа могут быть решены за счет выбора в качестве опорного элемента устройства с заданным температурным дрейфом так, чтобы можно было скомпенсировать отрицательный температурный дрейф напряжения база-эмиттер транзистора.

Рис. 4. Базовая схема радиационно стойкого СН

Как было показано ниже, под воздействием потока нейтронов существенно изменяется коэффициент усиления тока базы транзистора. В частности, в данной схеме это приводит к существенному увеличению тока базы транзистора q3 при большой плотности потока нейтронов. В этом случае ток через стабилитрон Бб можно определить как

Ьт =-

1БЭ3

Яз

+1

из

где 1м - ток базы транзистора q3.

Поэтому приращение выходного напряжения при изменении интенсивности потока нейтронов Б можно представить как

ди

вых

дист + дию _дисг дїсг + дию

_ г,

д/ст ди

кэ

ст

где дист /д1сг _ гст - дифференциальное сопротивление стабилитрона Бб.

Дифференцируя (5.10) по Б и подставляя получившееся значение в (5.11), получаем:

дивых .. ди 1 , д1нзЛ + ди _ ди 1 +

д^ и {д^ Яз д^ д^ д^ Яз

д1

из

Если потребовать равенства нулю правой части выражения (3), можно получить условие инвариантности данного СН к воздействию потока нейтронов:

ди

ю

д1

з

з

_ 0.

Поскольку строгих аналитических зависимостей для коэффициента усиления тока базы транзистора и его напряжения база-эмиттер в широком диапазоне изменения токов и не существует, ожидать выполнение условия (4) во всем диапазоне изменения интенсивностей потока нейтронов не следует. Однако есть основания предполагать, что выбором сопротивления резистора Ю можно добиться выполнения этого условия хотя бы в некоторой точке.

+

+

Результат моделирования схемы СН, представленный на рис. 5, показы, . -ного напряжения в диапазоне изменения интенсивности потока нейтронов от 0 до 1014 [n/см2] не превышает 171 мкВ, что в относительных единицах составляет 40 ppm.

5 . 9U86U -г-----------------------------------------------------------------1

SEL»; ;

5.9483U +--1-------г--------п---------г-----п---------г--------п--------г------п--------1

0 ЮТ 20Т 30Т 40Т БОТ 60Т 70Т 80Т 90Т 100Т

U

F

Рис.5. Выходное напряжение схемы СН (рис.4) при воздействии потока нейтронов

Другой очень важной проблемой функционирования СН при радиационном воздействии является их нагрузочная способность. Действительно, регули, , -нению коэффициента усиления тока базы, поэтому должны быть приняты меры по компенсации потери р.

Рис.6. СН с высокой нагрузочной способностью

Пример реализации схемы СН, в котором компенсируется снижение Р регулирующего элемента, приведен на рис. 6. Положительная обратная связь, введенная через резистор R3 в источник тока на полевом транзисторе, приводит к

,

элемента VT4 может обратиться в бесконечность или стать отрицательным.

о _

Pi [4 +вз ]RsS -1

Из-за режимной зависимости коэффициента усиления тока базы это условие на интервале заданного изменения тока выполняется дважды. То есть выходное сопротивление РЭ имеет несколько участков положительного и отрицательного сопротивления (рис.7). Нестабильность выходного напряжения во всем диапазоне изменения тока нагрузки не превышает ± 24 ppm.

Проблема устойчивости СН с участками отрицательного выходного сопротивления рассмотрена в [4]. При правильном выборе корректирующей емкости и емкости нагрузки СН устойчив при любых уровнях коммутации тока на.

Результаты моделирования переходного процесса при скачкообразном изменении тока нагрузки, приведенные на рис. 8 показывают, что СН остается устойчивым при сбросе и набросе тока нагрузки при интенсивности потока ней-

1 о о 1^0

тронов вплоть до 10 п/см , причем статическая ошибка при F =.10 п/см не превышает 250 мкВ.

о V Л и

Рис.8. Переходный процесс на выходе СН при коммутации тока нагрузки и различных уровнях радиационного воздействия

Выводы: В связи с изложенным выше можно сформулировать следующие требования к схемотехнике радиационно стойких СН, предназначенных для исполнения на (АБМК 1,2) или другой интегральной технологии:

1.

кремния при радиационном воздействии не сохраняют параметрические условия температурной компенсации и не могут быть рекомендованы для использования в радиационно стойких схемах ИОН.

2. , -нирующие при радиационном воздействии, целесообразно выполнять на транзи-, . могуг использоваться схемы, в которых температурная стабильность достигается за счет компенсации дрейфов абсолютных значений напряжения база-эмиттер.

3. Не использовать боковые p-n-p-тpaнзиcтopы ни для усиления, ни для .

быть выполнен на полевом транзисторе с управляющим p-n-пepexoдoм и кана-

лом p-типа. Для компенсации недостаточного внутреннего сопротивления источника тока могут быть использованы схемотехнические приемы его компен-.

4. Эффективным средством компенсации потери усиления в регулирующем элементе могут служить контуры местной положительной обратной связи по току нагрузки.

Автор выражает признательность г-ну Дворникову О.В., профессору Белорусского государственного университета информатики и радиотехники за предоставленные библиотеки радиационно стойких компонентов АБМК, выпускаемого Минским НПО «Интеграл».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Старченко ЕМ. Применение параметрических каналов компенсации в непрерывных стабилизаторах напряжения [Текст] /Е.И.Старченко // Электроника и связь. - Киев, 2002. - №15. - С.40 - 44.

2. Дворников О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями [Текст] / О. В. Дворников, В. А. Чеховской // Chip News - 1999. - №2 - С. 21-23.

3. Стар ченко Е. И. Особенности схемотехник и операционных усилителей,

[ ] / . . // -цессорные аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения : Материалы III Международ. научнопрактической конф. - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2003. - С. 19-23.

4. . . -

параметрическими каналами: монография/Е.И.Старченко. - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2009. - 108 с. : ил.

5. . . , -

[ ] / . . , . . // -

блемы современной аналоговой микросхемотехники: Труды Международного научно-практического семинара, 3 - 5 октября 2002 г. Ч. 1 / Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. - Шахты : ЮРГУЭС, 2002. - С. 19-23.

6. Widlar R. J. New development is voltage regulators / R. J. Widlar - Journal of Solid-State Cercuit. Feb. 1971, vol. SC-6, №2, pp.2 - 7.

7. Анисимов В.И. Переходные процессы интегральных СН в нелинейных режимах [Текст] / В. И. Анисмов, М. В. Капитонов, А. И. Рогач // // Электронная техника в автоматике / Сб. под ред. ЮЛ. Конева.- М.: Радио и связь, 1983. Вып.14.

- С.128-137.

Старченко Евгений Иванович

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказкий горно-метадлургический институт (государствен)»

E-mail: Star@sssu.ru

346500, Шевченко, 147, Шахты. Тел: 88636 22-20-37

Starchenko Eugeny Ivanovich

State educational institution of the higher vocational training «South Russian State University of Economics and Service»

E-mail: Star@sssu.ru

147, Shevchenko, Shakhti, 346500, Phone: 88636 22-20-37