Разработка методов схемотехнического проектирования радиационно-стойких инструментальных усилителей для БиМОП АБМК

• Автор: Титов, Алексей Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 237 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Е ОСОБЕННОСТЬ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ АНАЛОГОВЫХ ИС И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
ЕЕ Дестабилизирующие факторы космического пространства
Е2. Влияние радиационного и температурного воздействия на активные элементы радиационно-стойкого АБМК
ЕЗ. Особенности проектирования радиационно-стойких сенсорных
интерфейсов
1.4. Основные выводы. Частные исследовательские задачи
2. МЕТОД СОБСТВЕННОЙ КОМПЕНСАЦИИ ВЛИЯНИЯ МАЛОСИГНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ В ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
2.Е Собственная компенсация влияния выходных проводимостей
биполярных транзисторов в динамических нагрузках
2.2. Динамическая нагрузка на трех р-п-р транзисторах
2.3. Динамическая нагрузка на четырех р-п-р транзисторах
2.4. Динамическая нагрузка с дополнительным повторителем
напряжения
2.5. Основные выводы и результаты
3. МЕТОД СОБСТВЕННОЙ КОМПЕНСАЦИИ ВЛИЯНИЯ МАЛОСИГНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДАХ
3.1. Структурные особенности минимизации коэффициента ослабления
синфазного сигнала
3.2. Особенность симметричных дифференциальных каскадов с
динамической нагрузкой
3.3. Симметричные мультидифференциальные операционные усилители
3.4. Практическая реализация дифференциальных каскадов для
мультидифференциальных операционных усилителей
3.5. Основные выводы

4. МЕТОД СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМИ ОУ
4Л. Обобщенная структура инструментальных усилителей с мультидифференциальными операционными усилителями
4.2. Собственная компенсация влияния активных элементов
4.3. Инструментальные усилители на двух мультидифференциальных операционных усилителях
4.4. Инструментальные усилители на трех мультидифференциальных операционных усилителях
4.5. Основные выводы
5. ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
5.1. Инструментальный усилитель на одном мультидифференциальном операционном усилителе
5.2. Инструментальный усилитель на двух мультидифференциальных операционных усилителях
5.3. Инструментальный усилитель на трех мультидифференциальных операционных усилителях
5.4. Двухканальный инструментальный усилитель на базе парафазного мультидифференциального операционного усилителя
5.5. Основные выводы и результаты
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Базовый матричный кристалл. Радиационно-стойкая версия АБМК. Структура и свойства компонентов
Приложение 2. Результаты моделирования принципиальных схем
Приложение 3. Результаты моделирования мультидифференциального операционного усилителя в среде РБрюе на адекватных компонентах радиационно-стойкого АБМК
Приложение 4. Брюе-модели инструментальных усилителей на базе техники АБМК
Приложение 5. Акты внедрения результатов диссертационной работы
ВВЕДЕНИЕ
Начало исследованиям по проблеме радиационной стойкости изделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космического назначения положено в середине 60-х годов. В последующие 30 лет эта проблема была одной из приоритетных и решалась на основе государственного и межотраслевого планирования. В результате в СССР была создана функционально полная номенклатура радиационно-стойких изделий микроэлектроники, насчитывающая более тысячи типономиналов микросхем и полупроводниковых приборов.
С распадом СССР за пределами Российской Федерации осталось более 50% предприятий электронной промышленности и конструкторских бюро, производивших радиационно-стойкие ИЭТ. Последовавший за этим экономический спад и снижение объемов госзаказа привели к сокращению и в большинстве случаев к прекращению производства большей части их номенклатуры [44].
Обеспечение радиационной стойкости - одна из основных задач, стоящих перед космической отраслью. Решение проблемы достоверной оценки стойкости на этапе проектирования космического аппарата (КА) далеко от завершения не только в России, но и во всем мире [93], [95], [97], [100], [101], [104], [113], [114], [117], [118]. Существенное уменьшение объемов выпуска радиационно-стойкой электронной компонентной базы (ЭКБ) и сокращение на рынке числа фирм-производителей такой продукции привело к применению в космических аппаратах электронных компонентов (ЭК) коммерческого уровня качества. Это обусловлено экономическими соображениями, так как цена на коммерческую продукцию ниже, чем на радиационно-стойкую. Однако, использование коммерческих интегральных схем (ИС) в бортовой РЭА (БРЭА) КА влечет неоправданный риск. Связано это с тем, что ряд коммерческих ИС неприменим для условий эксплуатации в космосе, большинство имеет уровень функциональных отказов примерно Юкрад по дозе накопленной радиации, их стойкость не контролируется от партии к партии, а надежность в экстремальных условиях эксплуатации не определена [49].
Как отмечено в [49], из-за несовершенства отечественной компонентной ба-

При этом 50% потребляемого ими тока приходится как раз на выходной каскад ОУ, что связано со структурой построения активного сумматора, а попытки изменить это соотношение приводят к ухудшению качественных показателей. Также это требует значительного увеличения линейности входных цепей активного сумматора АС1, что также приводит к снижению других параметров схемы.
И наконец, не менее важным фактором, определяющим метрологические свойства инструментального усилителя, является напряжение дрейфа нуля, непосредственно влияющее на динамический диапазон и точность преобразования физических величин. Для схемы, представленной на рисунке 1.5,
идр ~ [ЕСм_А2 ~ Есм А, )/2 + (1 + -&7 1^а)^см_А3 > (1-25)
где Есм А - ЭДС смещения нуля г-го активного элемента.
Даже при строго идентичных ОУ и оптимальном соотношении резисторов ид = 2Есм Аі. Эта величина определяется структурой сумматора ИУ.
Полученные теоретические результаты позволяют определить основные требования, предъявляемые к проектированию радиационно-стойких инструментальных усилителей для сенсорных интерфейсов:
1. Исключение резистивных элементов из структуры активного сумматора АС1. Это позволит не только значительно увеличить достижимый коэффициент ослабления синфазного сигнала при воздействии ДФ, но и повысить выход годных изделий при производстве, а также уменьшить напряжение дрейфа нуля ИУ.
2. Увеличение коэффициента ослабления синфазного сигнала как в канальных активных элементах А1 и А2, так и в активном сумматоре на АЗ. Это позволит минимизировать синфазную составляющую в выходных сигналах канальных активных элементов, что повышает эффективность использования их амплитудной характеристики и входных цепей активного сумматора АС1, а также значительно ослабить влияние погрешности резистивных элементов обратных связей ИУ на выходные сигналы А1 и А2.
Все это приводит к необходимости применения относительно нового класса активных элементов - мультидифференциальных ОУ [30], [40], [41], [116], име-