РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 3, c. 84–87
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЭКБ
УДК 621.38.049.771.14
Разработка радиационно стойкой БИС
МДМ-преобразователя для датчиков
вКМОПКНС-базисе
А.И.Черный, В.Н.Богатырев1, З.М.Поварницына2, А.Ю.Алямкин
1,2к. т. н., ОАО «НПО ИТ»
e-mail: npcm2@yandex.ru
Аннотация. В ОАО «НПО ИТ» разработан, изготовлен и проведены испытания экспериментального образца
большой интегральной схемы (БИС) преобразователя для датчиков (в частности магниторезистивных) на базе
инструментального усилителя типа модулятор–демодулятор (МДМ) по КМОП-технологии на отечественных
структурах «кремний на сапфире» с толщиной приборного слоя кремния 0,6 мкм. Наряду с МДМ, инструментальным
усилителем, БИС включает также выходной нормирующий усилитель, набор резисторов обратных связей
и выходной фильтр низкой частоты. Реализованный алгоритм модуляции–демодуляции позволил получить малое
напряжение смещения и компенсацию фликкер-шума для обеспечения преобразования низкочастотных сигналов
датчиков начиная с постоянного тока. Лабораторными испытаниями произведена предварительная оценка
радиационной стойкости БИС к ионизирующему излучению на моделирующем испытательном комплексе при воздействии
излучения от 60Co путем испытания основного базового элемента — операционного усилителя, стойкость
которого составила не менее 500 Крад/Si.
Ключевые слова: магниторезистивный датчик, модулятор–демодулятор, МДМ, инструментальный усилитель,
радиационная стойкость, большая интегральная схема, кремний на сапфире
Development Radiation Hardened IC MDM
of the Converter for Sensors in CMOS SOS basis
A. I.Chernyj, V. N.Bogatyrev1, Z.M.Povarnitsyna2, A.Yu. Alyamkin
1,2candidate of engineering science,
Joint Stock Company “Scientific-Production Association of Measuring Techniques”
e-mail: npcm2@yandex.ru
Abstract. On Joint Stock Company “Scientific-Production Association of Measuring Techniques” are developed, made
and conducted tests of the experimental sample instrumentation amplifier with modulator–demodulator the IC MDM
of the converter for magneto resistive sensors. Is manufactory on CMOS with design norms of an order 3 microns on
technology “silicon on sapphire” (SOS) on domestic plates with thickness of a layer of silicon 0,6 microns. IC includes
the modulator–demodulator, the first and the second operational amplifiers, the normalization amplifier, resistors of
feedback, the filter of low frequency. The realized algorithm of modulation–demodulation has allowed to receive small
voltage offset and compensation to flicker noise for low-frequency analogue signals. Radiating hardened to ionizing
radiation on a modeling test complex is confirmed by laboratory researches. Resistance of the basic element — the
operational amplifier to the saved up dose not less than 500 Krad/Si on 60Co.
Key words: magneto resistive sensors, modulator–demodulator, MDM, instrumentation amplifier, radiation hardened,
integrated circuits (IC), silicon on sapphire (SOS)
Стр.1
РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННО СТОЙКОЙ БИС МДМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ 85
В ОАО «НПО ИТ» разработан, изготовлен
и проведены испытания экспериментального образца
(ЭО) большой интегральной схемы (БИС) преобразователя
для датчиков (в частности магниторезистивных)
на базе инструментального усилителя
типа модулятор–демодулятор (МДМ). Технология
изготовления БИС — КМОП, на отечественных
структурах «кремний на сапфире» (КНС)» с толщиной
приборного слоя кремния 0,6 мкм.
Усилители с модуляцией–демодуляцией сигнала
(усилители МДМ) реализуют преобразование
медленно меняющегося входного напряжения в переменное
напряжение, которое затем усиливается,
демодулируется и фильтруется. Данный алгоритм
в значительной степени уменьшает погрешности,
связанные с температурным и временным дрейфом
нуля. Структурная схема БИС МДМ-преобразователяприведенанарис.
1.
Инструментальный усилитель построен по
классической схеме на трех операционных усилителях
(ОУ). Цельвведения в структуру нормирующего
выходного усилителя — обеспечитьнизкое
выходное сопротивление, большой выходной сигнал
и увеличитьобщий коэффициент усиления. Если
коэффициент усиления инструментального усилителя
достаточно велик, то дрейф нуля дифференциального
усилителя практически не увеличивает
нестабильности начального уровня усилителя
в целом. Фильтр нижних частот и нормирующий
усилительмогут бытьобъединены в один узел —
активный фильтр.Модулятор и демодулятор управляются
частотой, вырабатываемой внутренним генератором.
В данной работе блок модуляции и демодуляции
построен на основе КМОП транзисторных
ключей.
Оценка плотности шума для МДМ ОУ.
Теоретически плотностьшума для МДМ ОУ
определяется формулой
Sn.вх = 3,142 · 4 ·K · T · n1
8 · gmin
1+ Fk
Fchop
,где:
Sn.вх — спектральная плотность входных шумов,
K — постоянная Больцмана, T — температура,
n1 — фактор наклона в области слабой инверсии,
gmin — крутизна входных транзисторов операционного
усилителя, Fk — граничная частота пропускания,
Fchop — частота выборки.
Внашем случае T = 300 ◦C, n1 = 1,4, gmin =
= 30 mkA/V, Fk = 200 Гц, Fchop = 4000 Гц,
K = 1,38 · 10−23, легко показать, что Sn.вх =
= 31,58 nV/Гц.
Оценка величины смещения для МДМ ОУ.
Величина смещения для МДМ ОУ определяется
формулой:
Voffset = 2 · 3,14 · Fchop. · Vq ·Ron×
×2 · 3,14 · Fchop ·Ron · Cin +2Q· e,
где
Vq = Cox
2
dWi
Wi
согласования параметров,
где i = 1, 2, 3. dWi
Wi
, dLi
Li
+ dLi
Li
· Vdd −Vt+
+CovVdd −Vss ·
dCov
Cov
,
тия. В нашем случае при dWi
Wi
, dVt — относительные расov
—емкостьперекры=
0,1,
dVt = 100 mV, Ron = 50 kOm,
= dLi
Li
= dCov
Cov
e = 1%.
Теоретическая величина смещения Voffset
in = 1pF, Q = 10,
не превышает 1 мкВ [1].
Испытания ЭО проводилисьсогласно разработанной
(в рамках этапа 2 СЧ НИР «ДатчикИТ»)
«Программе и методике испытаний ЭО»
от 30.09.2013 №НПЦМ2/2-85 на измерителе
Keithley 2602 и подтвердили достижение следующих
параметров:
– коэффициент усиления фиксирован — 135;
– температурный дрейф коэффициента передачи
— 300 ppm/ ◦C;
– напряжение смещения «нуля» — не более
20 мкВ;
– температурный дрейф напряжения смещения
«нуля» — не более 0,5 мкВ/С◦;
– коэффициент ослабления синфазного сигнала
и влияния напряжения питания — не менее
80 дВ;
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 3 2015
Стр.2
86
А.И.ЧЕРНЫЙ, В.Н.БОГАТЫРЕВ, З.М.ПОВАРНИЦЫНА, А.Ю.АЛЯМКИН
Рис. 1. Структурная схема БИС МДМ-преобразователя
Рис. 2. Топология кристалла БИС МДМ-преобразователя
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 3 2015
Стр.3
РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННО СТОЙКОЙ БИС МДМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ 87
–входные токи — не более 1 нА;
– потребляемая мощность— не более 50 мВт;
– полоса пропускания по уровню 3dB — не менее
1,0 кГц;
– диапазон напряжения питания, В — +/−(2,5–
4);
– конструктивное исполнение для испытаний —
в корпусе 2120.24-11 либо бескорпусное исполнение.
По
сравнению с широко известным дифференциальным
усилителем постоянного тока на
МДП-транзисторах с модуляцией–демодуляцией
сигнала 140 УД13 [3] на объемном кремнии достигнуты
преимущества по коэффициенту усиления
(более 10 раз), полосе сигнала, напряжению
смещения нуля (менее 2 раз), расширению функционального
исполнения (встроенный генератор, инструментальный
ОУ, активный фильтр, нормирующий
усилитель), радиационной стойкости за счет
КНС-исполнения.
Топология кристалла БИС МДМ-преобразователя
показана на рис. 2, размер кристалла 4,5 Ч
×3,5 мм.
Лабораторными испытаниями произведена
предварительная оценка радиационной стойкости
БИС к ионизирующему излучению на моделирующемиспытательномкомплексе
при воздействии
излучения от 60Co путем испытания основного
базового элемента — операционного усилителя,
стойкостькоторого составила не менее
500 Крад/Si.
Список литературы
1. Cihsieh K. et al. A Low-noise chopper-stabilized differential
switched-capacitor filtering technique, IEEE
J. Solid-State Circuits, Vol.sc — 16, December, 1981,
p. 708–715
2. ТопильскийВ.Б. Микроэлектронные измерительные
преобразователи, 2-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2013.
3. Технические условия бКО. 347.004 ТУ12.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 3 2015
Стр.4