СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В отличие от БМК, структурные ИС содержат как набор полностью сфор мированных аналоговых блоков, так и активные и пассивные элементы, не соединённые между собой. Програм мирование происходит на предприя тии – изготовителе микросхем путём соединения известных блоков и эле ментов. Наличие сертифицирован ных, в том числе по стойкости к ради ационному воздействию, аналоговых блоков существенно снижает «риск» проектирования, а временные и мате риальные затраты на создание нового изделия меньше, чем при использова нии БМК. Однако для применения структурных микросхем необходимо предварительно изготовить и экспе риментально апробировать необходи мые аналоговые блоки. Такимобразом, для производства ин теллектуальных датчиков космичес кой аппаратуры необходима широкая номенклатура радиационно стойких аналоговых устройств, оптимизиро ванных для работы с конкретными чувствительными элементами, причём реализация таких специализирован ных аналоговых ИС экономически це лесообразна на базовых матричных и структурных кристаллах. Целью настоящей статьи является описание созданной на базовом мат ричном кристалле АБМК_1_3 радиа ционно стойкой ИС, которая за счёт использования внешних цепей отри цательной обратной связи (ООС) мо жет осуществлять преобразование сигналов разной длительности от чувствительных элементов, имею щих как высокий, так и низкий вы ходной импеданс при симметричном или несимметричном считывании сигнала. Разработанная ИСможет найти при менение в различной датчиковой ап паратуре, в то же время по результатам её тестирования планируется разра ботка специализированного базового структурного кристалла для производ ствадатчиковкосмическойаппаратуры. О СОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СХЕМОТЕХНИКИ УНИВЕРСАЛЬНОЙ АНАЛОГОВОЙ МИКРОСХЕМЫ Несмотря на существование и при менение в радиоэлектронной аппара туре разнообразных конструкций дат чиков физических величин [20–22], с точки зрения электрических парамет ров их можно рассматривать как вы сокоимпедансные или низкоимпедан сные источники продолжительных или кратковременных электрических сигналов. При моделировании большинство высокоимпедансных датчиков допус тимо представить в виде источников импульсов тока, характеризующихся высоким сопротивлением и ёмкостью от десятков до тысяч пикофарад. Обычно датчик соединяется с устрой ством, которое преобразует входной импульс тока в выходное напряжение с длительностью, достаточной для об работки последующими каскадами (см. рис. 1) [23]. При коротких сигналах датчиков для этих целей чаще всего применя ются импульсные преобразовате ли заряда в напряжение, так называе мые зарядочувствительные усилители (ЗЧУ). Если импульс тока датчика име ет протяжённую плоскую вершину, которую необходимо зарегистриро вать, то используются импульсные преобразователи тока в напряжение (трансрезистивные усилители, ТРУ). Они обладают малым входным сопро тивлением и благодаря этому также применяются при работе с датчиками, имеющими большую ёмкость и высо кую частоту поступления входных им пульсов. В идеальном случае, ЗЧУ должен сформировать из входного токового сигнала в виде δ функции выходное ступенчатое напряжение. Чаще все го эту операцию выполняет инвер тирующий усилитель напряжения (U на рис. 1) с большим коэффициен том усиления и одним доминирую щим полюсом, охваченный ООС с по мощью конденсатора C F . Однако с те чением времени конденсатор C F заря жается постоянной составляющей входного тока I INDC , возникающей вследствие наложения импульсов то ка, наличия входного тока инверти рующего усилителя и тока утечки дат чика, что приводит к изменению уровня выходного напряжения ( V OUT ) и уменьшению динамического диапа зона, а в предельном случае – к потере работоспособности выходного каска да инвертирующего усилителя. Для уменьшения влияния постоянной составляющей I INDC на динамический диапазон ЗЧУ параллельно конденса тору C F подключается резистор R F , ко торый устанавливает уровень выход ного напряжения при отсутствии входного сигнала: V OUTDC = V INDC + I INDC R F , (1) где V OUTDC , V INDC – выходное и входное напряжение ЗЧУ по постоянному току. Отметим, что такую же схемотехни ческую структуру может иметь ТРУ, в котором резистор R F преобразует входной импульс тока в выходное на пряжение, а конденсатор C F обеспечи вает устойчивую работу усилителя с цепью ООС. Различие заключается в соотношении активной и реактивной составляющих проводимости цепи ООС: для ЗЧУ в полосе частот ( f ) спект ра входного сигнала преобладает ем костная составляющая проводимости (R F >> 1/2 π fC F ), а для ТРУ – резистивная (R F << 1/2 π fC F ). Любой токовый сигнал I IN , поступа ющий на вход импульсного преобра зователя (U, R F , C F на рис. 1), вызывает падение напряжения V IN = I IN Z EQ на эквивалентном входном импедансе Z EQ , состоящем из параллельного со единения динамического импеданса обратной связи Z F /(1 + K V ) и суммарно го импеданса всех параллельных це пей Z Σ IN , соединённых с входом: , (2) где K V – коэффициент усиления напря жения инвертирующего усилителя при разомкнутой цепи ООС; Z F , Z Σ IN – импеданс ООС и суммарный импеданс всех параллельных цепей, соединён ных с входом (узел IN на рис. 1). Увеличение входной проводимости объясняется тем, что каждому измене ниюпотенциала в узле IN соответству ет в K V раз большее изменение потен циала противоположного знака на другом выводе импеданса ООС Z F и ток, протекающий через импеданс 57 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2011 IN V OUT R F C F C D I IN I INDC – U Рис. 1. Схема преобразования сигнала высокоимпедансного датчика C D – ёмкость датчика; I IN – импульсный ток датчика; I INDC – постоянная составляющая суммарного тока, протекающего через входной узел IN; U – инвертирующий усилитель напряжения; R F , C F – элементы цепи обратной связи © СТА-ПРЕСС