Наиболее простым и, одновременно, достаточно эффективным способом коррекции является вклю-чение в канал обратной связи резистивно-емкостной цепи (см. рис.4).
Этот способ коррекции ли-шен тех недостатков, свойственных коррекции по-средством Скор, и по своей эффективности уступает только коррекции включением быстродействую-щего канала. Коррекция резистивно-емкостной це-пью особенно эффективно в усилителях на трансимпедансных ИОУ.
В настоящее время большинство ИОУ выпускаются с внут-ренней коррекцией, в которых Скор обеспечивает нормальную работу микросхемы с обратной свя-зью при коэффициенте усиления Ки, не меньше указанном в справочнике значения (Ки = 1;2;5;10). При радиационном воздействии эффективность влияния Скор ослабляется из-за уменьшения Rкор.эк, что необходимо учитывать при проектировании усилителей, ориентируясь на большее значение Ки и, соответственно, меньшую глубину обратной связи, с тем, чтобы исключить возможность само-возбуждения ИОУ.
Отметим, что и в ИОУ с внутренней коррекцией целесооб-разно включение в канал обратной связи резис-тивно-емкостной цепи, которая позволяет до неко-торой степени исправить недостатки, обусловлен-ные внутренней коррекцией. Такой подход просто необходим при использовании трансимпедансных усилителей с внутренней коррекцией.
Следующий вопрос, требующий решения на этапе схемотехнического синтеза, это - выбор ви-да обратной связи. Выбор ОС по на-пряжению 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 токо-вым выходом, формирующих мощные им-пульсы тока с крутыми перепадами в низкоомной нагрузке с индуктивной реакцией, включают об-ратную связь по току.
Выбор последовательной ОС или параллельной однозначно решается в пользу пер-вой из них по следующим причинам. Во-первых, при заданной глубине обратной связи F схема с последовательной обратной связью обеспечивает усиление на единицу больше, чем при параллель-ной обратной связи. В этом нетрудно убедиться, рассматривая приближенные формулы, опреде-ляющие коэффициенты усиления:
Kunoc 1+R1/R2 и Kunoc 1+R1/Rд (*) где Rl и R2 - сопротивления резисторов в каналах обратной связи; Rд - выходное сопротивление датчика, напряжение которого усиливается. Из анализа соотношений (*) следует второй недостаток параллельной обратной связи, связан-ный с отклонением коэффициента усиления от номинальной величины, которое происходит из-за изменения сопротивления датчика Rд.
Ku/Ku = R1/ R1 - R2/ R2
Это особенно опасно в аппаратуре, предназначен-ной для работы в длительное время в условиях ра-диационного воздействия, когда требуется уста-новить деградацию параметров элементов схемы в зависимости от времени регистрации выходного напряжения усилителя. Что касается влияния из-менений сопротивлений резисторов R1 и R2, то при соответствующем выборе резисторов (напри-мер, пленочные резисторы) можно существенно уменьшить их рассогласующее действие при ра-диационном воздействии. В-третьих, так же как деградация сопротивлений Rд, R1 R2 влияет на точность усиления в области средних частот, из-менение емкостей СД, С1 С2, под воздействи-ем радиации приводит к отклонению выброса на вершине импульса или неравномерности АЧХ от номинальной величины, причем если в схеме с по-следовательной обратной связью отклонения С1 и С2 можно существенно уменьшить, то деграда-ция СД определяется видом датчика.
В-четвертых, в схеме с параллельной ОС имеется всего две степени свободы (С1 и R1), тогда как при последовательной обратной связи их четыре: R1 С1 R2, С2. Это существенное преимущество вообще, а в схемах, работающих при спецвоздействиях - в особенности, так как эти степени свободы позволяют проводить пара-метрическую оптимизацию схемы, обеспечивая тем самым значительное улучшение характерис-тик усилителя в области малых времен или выс-ших частот.
Преимущества последовательной обратной связи особенно ярко проявляются в предусилителях с противошумовой коррекцией и зарядо-чувствительных усилителях на малошумящих ин-тегральных операционных усилителях.
Насколько эффективны рекомендуемые спосо-бы улучшения сигнальных характеристик усили-телей, предназначенных для длительной эксплуа-тации в условиях стационарного радиационного воздействия, можно иллюстрировать на примере импульсного усилителя с коэффициентном усиле-ния Ки = 10 на микросхеме 153УД2. Чтобы исклю-чить самовозбуждение схемы потребовалось уве-личить емкость корректирующего конденсатора (Скор = 70 пФ) и ограничить значение коэффици-ента d2 (F - глубина OC). При этом время нарастания фронта переходной характеристики tн = 0.7 мкс при выбросе на вершине импульса 1 = 4.3%.
При реализации такого усилителя с коррекци-ей RC-цепью (см. рис.4) время нарастания фронта удалось уменьшить в 5.4 раза, т.е. оно ста-ло равным 0.13 мкс при выбросе = 2.9%.
Проверка на импульсные перегрузки по вход-ной цепи, лимитирующие наибольшую амплиту-ду выходного импульса Uвыхтиб, показала, что в схеме с Скор Uвьшпнб < 170мВ, тогда как примене-ние RC'-цепи позволило увеличить Uвыxmn6 в 8 раз, т.е. воспроизводить импульсы с крутыми перепа-дами наибольшей амплитудой Uъыхтнб = 1.35В!
Чтобы можно было реализовать усилитель с Ки= 10; tн = 0.13 мкс применением коррекции инте-грирующим конденсатором Скор, то надо было ис-пользовать интегральные операционные усилители с частотой единичного усиления f1ис = 38 МГц, т.е. в 5.4 раза большей f1ис, чем у 153УД2. При этом на-ибольшую амплитуду Uвыхотнб 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 широ-кополосных усилителях.
Уменьшение ВПР электронной аппаратуры.
Эта проблема возникает при проектировании электронной аппаратуры, предназначенной для работы в условиях кратковременного воздейст-вия мощного ионизирующего импульса, приводя-щего к сбою работы устройства или нарушению его нормального режима. При этом происходит существенное отклонение выходного напряже-ния интегрального операционного усилителя от нуля Uвых, амплитудой которого определяется уровень бессбойной работы аппаратуры, а време-ни спада Uвых до уровня, когда восстанавлива-ется нормальная работа усилителя, устанавлива-ется время восстановления работоспособности.
Как показывают исследования, продолжи-тельность ВПР в значительной степени определяется передаточной функцией усилителя: она уменьша-ется с увеличением глубины ОС F и с уменьшением коэффициентов передачи b2кор и b1кор. Поэтому и в данном случае коррекция инте-грирующим конденсатором Скор приводящую к увеличению b2кор=b2ис(1+Скор/Сис) в (1+Скор/Сис) раз, а b1кор=b1ис+СкорRкор.эк на величину СкорRкор.эк сопровождается ухудшением показате-лей усилителя, характеризующих его радиацион-ную стойкость: происходит существенное увели-чение ВПР и некоторое возрастание уровня бессбойной работы, определяемое увеличением амплиту-ды Uвых.
Заметное сокращение времени восстановления работоспо-собности 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 после-довательной ОС.
Список литературы.
1. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.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
Страницы: 1, 2, 3, 4
