О.В.Дворников, С.Г.Крутчинский, Н.Н.Прокопенко, Е.И.Старченко

Полузаказные радиационно-стойкие
аналоговые ИС и IP-блоки на базе
специализированного АБМК
О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский,
Н.Н. Прокопенко, Е.И. Старченко
Российско - Белорусский научно-технический центр
аналоговой и дискретно-аналоговой
микросхемотехники «МикАн» при СКНЦ ВШ
[email protected]
Тезисы доклада:
• 1. Созданная сотрудниками центра оригинальная
•
•
микросхемотехника позволяет минимизировать
влияние паразитных параметров полупроводниковых
интегральных компонентов на основные
характеристики ИС – частотный и динамический
диапазоны, параметрическую чувствительность и т.п.
2. Ослабление требований к технологическим нормам
изготовления полупроводниковых компонентов
можно использовать для повышения их радиационной
стойкости.
3. Техника радиационно-стойкого аналогового
базового матричного кристалла (АБМК) позволяет
обеспечить выпуск конкурентоспособных
полузаказных ИС измерительных приборов и
диагностических систем.
Структура НТЦ «МикАн»
МНТЦ «МикАн»
НЦ Физики
частиц высоких
энергий БГУ
(г.Минск)
Комплект принципиальных
схем радиационностойких
импортозамещающих ИС
под технику АБМК
Лаборатория
перспективных
технологий и
процессов ЦИПБ
РАН (г.Шахты)
ЦП СБИС
«Система на
кристалле» ТРТУ
(г. Таганрог)
Комплект принципиальных схем
широкодиапазонных
импортозамещающих ИС для
биполярной технологии
НПО «Интеграл»
(г. Минск)
Выпуск радиационностойких
аналоговых ИС (приемка 5)
НКТБ
«Пьезоприбор»
РГУ
(г. Ростов)
Методика проектирования РЭА на базе
импортозамещающих ИС. Комплект
схемотехнических решений базовых
устройств и рекомендаций.
НПП «Пульсар»
(г. Москва)
Выпуск широкодиапазонных
аналоговых ИС (приемка 5)
Предприятия РЭА
Основные свойства традиционной микросхемотехники
Известно, что граничная частота усилительного
каскада fp и скорость нарастания v при K 0i 1
f p  1 (2 K0i ),
1
   Cout  Cк 
S
  2 f pU p
(2.2)

(2.1)

rэ  rб  1

C

к 
   R0

R 0 - общее сопротивление нагрузки каскада.
(2.3)
Основные свойства современной микросхемотехники.
Принцип собственной и взаимной компенсации.
Строго показано:
N
Ф  p   K0   p i
i 1
Ki H i
1  p i Koi
(2.4)
где K i - коэффициент передачи устройства на выходе i-го каскада;
N
Ф  р   K 0   p i
i 1
1
Ki  H i  H i 
1  p i ( K oi  K oi )
 1

H i  T Koi   B  Wi ,


(2.5)
1
 1

K oi  i K oi   B  Wi


1. Доказана достаточность и единственность таких цепей.
2. Показана взаимосвязь собственной и взаимной компенсации
3. Для основных классов функциональных узлов и
устройств разработаны алгоритмы и правила их
схемотехнического проектирования.
Пример построения схемы с собственной
компенсацией
+Еп
Cк
Rнэ
-Еп
I
Uвых(t)
Цепь компенсирующей
обратной связи
V1
Кп
Uвх(t)
Ф  p   p 1
К
Rэ
К об 1  К П  КК об
1  p 1 К об 1  К П 
(2.6)
Пример реализации каскада с
собственной компенсацией
Результаты моделирования
+Еп
r
Еоп
-Еп
V3
I0
Параметр
Без
компенс
ации
Оптим.
Р0
Оптим.
f0
K
20
20
20
fp (кГц)
150
125
1000
Р 0 , (мВт)
5
0,5
1,5
0i
Uвых
V2
Uвх
V1
Rэ
Ф  p 
К оэ1 К об 2
p 2 1 2 K об1 К об 2  p  1 К об1   2 К об 2 1  1 2    1
(2.7)
Основные выводы:
• введение специальных компенсирующих цепей
•
•
позволяет осуществить параметрическую
оптимизацию схемы по любому из базовых критериев
– минимальная потребляемая мощность, минимальная
параметрическая чувствительность или максимальная
граничная частота;
компенсирующие цепи обратной связи повышают
порядок передаточной функции, что ограничивает
практически достижимый уровень компенсации;
минимизация влияния проходной емкости без
изменения режима работы транзистора позволяет в
схемах применить взаимную компенсацию влияния
емкости нагрузки (емкости на подложку) на диапазон
рабочих частот всего устройства.
Принцип собственной компенсации на
функциональном уровне
 p 1

p 1
Фi  p      H i  p  Fi  p  1     Fii  p  
 пi i 
  пi i 

Ф  p   Фu  p  
Fi  p   H i  p   H i  p  
Ki  p  1  1
 Fii  p   Fii ( p) 
Ki  p 
1
(3.2)
(3.1)
Hi  p   TB1 , Fii  p   gi B1
(3.3)
Пример построения схемы с собственной компенсацией
на функциональном уровне
R1
C2
C1

1
S п1 p  0,
U вых
S  0,
Q
п1
R2
2
R5
;
R3
U вх
.
R4
S 
Q
п2

S п2p  
p 1
п2 2Q
S
K0
П1
p 1
п2 2Q
 0,S
;
K0
П2

p 1
П 2 2Q
(3.4)
Введение компенсирующих
обратных связей
• не влияет на идеализированную передаточную
функцию, являющуюся целью проекта;
• создает дополнительные параметрические степени
свободы, которые могут использоваться для
минимизации влияния частоты единичного усиления
(площади усиления) активных элементов на
стабильность основных параметров, расширение
частотного и динамического диапазонов;
• позволяет использовать активные элементы
(усилители) в экономичных режимах работы.
АБМК_1_2
Аналоговый биполярно-полевой базовый матричный кристалл
Краткое описание
Введение
Базовый матричный кристалл (БМК)
представляет собой часть
полупроводниковой пластины с
расположенными на ней активными и
пассивными элементами, не
соединенными между собой.
Преимущества
Значительно уменьшается время
изготовления ИС. При наличии заранее
изготовленных пластин без
сформированных соединений
элементов, изготовление ИС на БМК
требует 12-16 недель после разработки
схемы электрической принципиальной.
Появляется возможность изготовления
малых партий ИС. Для минимального
объема серийно- выпускаемых пластин
(10 шт.) возможно получение до 5
различных изделий по 1040 не
отбракованных кристаллов каждого.
Ориентировочная стоимость в
малосерийном производстве одного
годного кристалла специализированной
ИС составит 1-2$.
Наибольший экономический эффект
достигается при замене двух-трех
дорогостоящих импортных аналогов на
одну специализированную ИС на БМК.
БМК специально создан для
проектирования аналоговых
широкополосных и малошумящих ИС,
для чего в его состав включены:
высокочастотные n-p-n транзисторы с




Изготовление ИС на БМК заключается в
формировании соединений между
элементами на ранее изготовленных
пластинах при помощи 4 дополнительных
фотошаблонов
граничной частотой усиления около 3
ГГц двух типов: малосигнальные с
предельно малыми емкостями и
малошумящие с Rbb<35 Ом,
высокочастотные малосигнальные и
малошумящие полевые транзисторы
управляемые p-n переходом с каналом
р- типа (p-JFET), p-n-p транзисторы,
низкоомные и высокоомные резисторы,
МОП конденсаторы.
 На основе БМК возможно получить:
широкополосные усилители,
компараторы; микромощные
аналоговые ИС; импульсные ИС с RC
фильтрами; электрометрические
усилители; малошумящие усилители;
согласованные пары полевых
транзисторов; многоканальные (до 8-ми
каналов) аналоговые ИС.
 Функциональная сложность
проектируемых на БМК ИС - до 8
операционных усилителей.
АБМК_1_2
Аналоговый биполярно-полевой базовый матричный кристалл
Особенности технологического процесса изготовления кристаллов
Типовая
структура
Нормы
отбраковки и
полученные
средние
значения
параметров
P-JFET
NPN
Наименование параметра
Норма
отбраковки
N-P-N транзисторы всех типов
>90
Коэффициент усиления b
>8
Пробивное напряжение коллектор-эмиттер, В
(база в обрыве)
>12
Пробивное напряжение коллектор-база,В
>4.5
Пробивное напряжение эмиттер-база,В
P-N-P транзисторы всех типов
>15
Коэффициент усиления b
>8
Пробивное напряжение коллектор-эмиттер, В
(база в обрыве)
>10
Пробивное напряжение коллектор-база,В
>10
Пробивное напряжение эмиттер-база,В
Среднее
значение
95
12.2
28.5
5.23
19.7
16.7
29.8
30.74
Маломощный полевой транзистор PNPJF_JFET
Максимальный ток стока, мкА
110-220
160 (94-240)
Напряжение отсечки, В
1.5-2.5
1.8 (1.2-2.6)
Пробивное напряжение сток-затвор, В
>16
30.0
Пробивное напряжение исток-затвор, В
>16
30.7
Сопротивление слоя Ом/квадрат
Р-база
500-620
540
N+-глубокий коллектор
21-27
24.6
Р- канал ПТ
4500-5500
4900
Напряжение пробоя изоляции, В
>16
40.7
Допустимо ужесточение норм отбраковки параметров за счет уменьшения процента
Выхода годных (повышение стоимости годного кристалла) или отбраковка по новому
сочетанию параметров, например, увеличение b n-p-n транзистора за счет уменьшения
пробивного напряжения коллектор- эмиттер
АБМК_1_2
Аналоговый биполярно-полевой базовый матричный кристалл
Подробная информация
Описание
Базовый матричный кристалл включает 4
идентичных канала, каждый из которых
состоит из двух макрофрагментов. По
периферии БМК размещены сложнофункциональные контактные площадки,
которые либо выполняют функции контактных
площадок ИС, либо используются как схемные
элементы. Всего сложно-функциональных
контактных площадок 54, они могут быть
следующих типов:
 PAD2Q - два многоэммиттерных
малощумящих n-p-n транзистора
(обозначены 2)
 PADJ - малошумящий p-JFET (обозначен
3)
 PADJDG - два двухзатворных p-JFET с
отдельным контактом к верхнему и
нижнему затворам (обозначены 4)
 PADC - МОП конденсатор величиной 2.3
пФ с возможностью использования в схеме
паразитной емкости полупроводниковой
обкладки (обозначен 5)
Каждый макрофрагмент имеет один
изолированный карман (6), в котором
размещены резисторы номиналом от 650 Ом
до 15.1 кОм выполненные на слое р- базы.
Низкоомные резисторы имеют только один
номинал 70 Ом и выполнены на слое n+
глубокого коллектора. Помимо резисторов
макрофрагмент содержит малосигнальные np-n транзисторы генераторов стабильного тока
(элемент NPNC обозначен цифрой 10), МОП
Макрофрагмен
конденсаторы емкостью 0.95 пФ (элемент
C0_95P обозначен 7) и полупроводниковые
структуры следующих типов:
 PNPJF - функционально- интегрированный
элемент, представляющий собой
каскодное включение p-n-p транзистора и
p-JFET (обозначен цифрой 8)
 GC - два n-p-n транзистора (обозначены
цифрой 9) с объединенными коллекторами
 TW - 4х слойная полупроводниковая
структура,позволяющая за счет различного
выполнения межсоединений областей
получить два n-p-n или p-n-p транзистор
(обоз н ачен а цифрой 11).
Макрофрагмент окружен экранирующим
контактом, позволяющим устранить
паразитное взаимодействие через подложку
разных блоков и соседних каналов.
Размер кристалла БМК составляет 2.7х3.6
мм.
Состав БМК
Наименование элемента
Количество
PNPJF
128
GC
128
NPNC
32
TW
48
Суммарная величина всех резисторов на р- 5.264 МОм/ 0.658
базе: БМК/ Макрофрагмент
МОм
Суммарная величина всех низкоомных
14.56 кОм/ 1.82
резисторов: БМК/ Макрофрагмент
кОм
Mалошумящие n-p-n
48
Mалошумящие p-JFET
24
Двухзатворные p-JFET
8
Суммарная величина всех МОП
65.4пФ/ 7.6пФ
конденсаторов: БМК/ Макрофрагмент
АБМК_1_2
Аналоговый биполярно-полевой базовый матричный кристалл
Особенности элементов
PAD2Q
Два малошумящих 9-ти эмиттерных n-p-n транзисторов с сопротивлением базовой области
менее 35 Ом. Так как эмиттер транзистора выполнен в виде набора полосок соединенных
между собой металлом, то при проектировании ИС возможно частичное масштабирование
параметров транзистора, направленное на уменьшение барьерной емкости эмиттерного
перехода и сдвига максимума b в область малых токов, что отражается при схемотехническим
моделировании за счет подключения разных Pspice моделей элемента PAD2Q: PAD2Q_1PAD2Q_9. Последняя цифра в названии показывает количество соединенных эмиттеров.
PADJ
Малошумящий полевой транзистор управляемый переходом с каналом р-типа и максимальным
током стока 6-15 мА при напряжении отсечки 1.5-2.5 В
PADJDG
Два полевых транзистора управляемых p-n переходом с каналом р-типа и двумя затворами nтипа, каждый из которых может быть соединен со схемой. Наиболее удобное включение
двухзатворного транзистора - это задание требуемого тока стока подачей обратного
постоянного смещения на нижний затвор и использование высокоэффективного верхнего
затвора (максимальная крутизна усиления при минимальном токе утечки и емкости) для
обработки полезного сигнала
NPNC
n-p-n транзистор, который наиболее удобно использовать для реализации генераторов тока
дифференциальных каскадов. Рабочий ток коллектора 2.0 мА
GC
Два n-p-n транзистора с соединенными коллекторами. Элемент GC удобно применять в
каскадах с перекрестными коллекторными связями, а также как двухэмиттерный транзистор
или умощненный транзистор. Рабочий ток по каждому из эмиттеров составляет 2.0 мА.
Каждый из транзисторов можно использовать в качестве стабилитрона
TW
PNPJF
PADC,
C0_95P
4-х слойная полупроводниковая структура, позволяющая за счет различного выполнения
межсоединений областей получить двухэмиттерный n-p-n или p-n-p транзистор. Элемент TW
расположен с одной стороны макрофрагмента и предназначен для реализации токозадающих
блоков смещения. Рабочий ток по каждому из эмиттеров n-p-n составляет 2.0 мА
Каскодное включение p-n-p транзистора и p-JFET, которое можно использовать как p-n-p
транзистор, p-JFET транзистор или каскодное включение p-n-p транзистора и p-JFET.
Преимуществом последнего решения является значительно более высокое выходное
сопротивление и меньшая выходная емкость по сравнению с традиционным p-n-p
транзистором
МОП конденсаторы (PADC, C0_95P) имеют одинаковую конструкцию. К одной из обкладок
конденсатора подключен диод, отражающий существование p-n перехода между р-обкладкой
и изолирующим n-карманом - вывод STR. Последний можно использовать для подключения к
схеме барьерной емкости диода или необходимо соединить с самым высоким потенциалом
схемы. Для элемента PADC емкость полупроводниковой обкладки описывает диод PADС_STR , а для C0_95P - C0_95p_STR
АБМК_1_2
Аналоговый биполярно-полевой базовый матричный кристалл
Порядок разработки ИС на БМК
Основной вид работы по созданию ИС
1. Предоставление технической документации,
необходимой для проектирования ИС: развертывание
пакета программ Design_Lab_8, обучение основным
командам, установка библиотек БМК, консультации по
использованию элементов, ознакомление с
имеющимися схемотехническими решениями
2. Разработка ТЗ
Исполни-тель
жительность
Заказчик
Продол-
Ответственный
Соисполнитель
-
Ответственный
1-2 недели
3. Разработка функциональной электрической схемы
Ответст-венный
4. Разработка принципиа
льной электрической схемы.
Вариант №1
Вариант №2
Соисполнитель
5. Разработка топологии
6. Проверка соответствия топологии СХЭП
7. Изготовление фотошаблонов
8. Разработка КД и ТД
Ответственный
Ответственный
Соисполнитель
*
*
Ответственный
Ответственный
Ответственный
Ответственный
Ответственный
-
Соисполнитель
Соисполнитель
6-8 недель
9. Разработка ТУ
8. Разработка алгоритмов и программ
функционального и параметрического контроля
10. Изготовление
Изготовление пластин (2 шт.)
образцов
Сборка в корпус 20 шт.
Соисполнитель
Ответственный
Ответственный
-
Ответственный
11. Измерение в корпусе при наличии согласованных
алгоритмов и программ
12. Исследование опытных образцов в РЭА
Ответственный
Соисполнитель
Ответственный
Ответственный
Соисполнитель
13. Испытания образцов (исследовательские,
предварительные, приемосдаточные и пр.)
Итого (без учета работ по п. 4, 8, 11, 13)
* Зависит от сложности ИС
*
6-8 недель
*
1-2 недели
4-6 недель
14-20недель
Таблица 1
Параметры стойких к радиационному воздействию ОУ
Тип операционного усилителя
ОР-42 (AD)
ОУ _1 (МикАн)
ОУ _2 (МикАн)
Коэффициент усиления, дБ
110
85
90
Ток потребления, мА
5,1
0.8
1
Напряжение питания, В
 8 20
5
5
Входное сопротивление, МОм
10
10
2
Входной ток, нА
200
4
50
Скорость нарастания, В/мкс
 50
- 85; + 78
- 300; +50
Частота единичного усиления, МГц
10
72
200
KV , кОм/мкс, не менее
10
97
50
Kf , МГц/мА, не менее
2
90
200
Параметры
Таблица 2
Параметры многофункциональных ОУ на основе АБМК_1_2
Микром
ощ
ны
й
ОУ
Мультидифференци
-альный ОУ(2
инвертирующих, 2
неинвертирующих
входа)
ОУ с токовой
обратной
связью
4000
64000
70000
4000
Частота един. усиления,МГц
16–160 (от уровня тока)
0,13
30
47
Скорсть нарастастания, В/мкс
8–120 (от уровня тока)
—
—
+400 -150
Входной ток, мкА
1–10
0,009
1,3
1,5 (неинв. вход)
Разность входных токов, нА
1
0,01
10 (макс. значение)
—
Напряжение питания, В
±5
±5
±5
±5
Потребляемый ток, мА
0,36–3 (общий ток
потр.)
0,012
1,2
2
86
80
—
—
±3
±4
Параметры
Коэффициент усиления
Ослабление синф. сигнала, дБ
Кристалл ОУ-П
(счетверенный
программируемый
ОУ)
±3 (RН=
Выходное напряжение, В
±4
=10
кО
Таблица 3
Сравнительная характеристика аналоговых перемножителей
Характеристики
Коэффициент передачи
AD835AN/AR
(AD)
ХУ
 4 мА
1V (1V )
525ПС1 (RUS)
Х У
U
АП1 (МикАн)
ХУ
 3мА
(1V )(1V )
Ошибка перемножения, %
1
1
0,025 (Х и У <1 В)
Нелинейность по каналу Х,
%
0,3 (Х=1В,
У=1 В)
-
0,08 (Х=1В, У=1В)
Нелинейность по каналу У,
%
0,1 (У=1В,
Х=1 В)
-
0,05 (У=1 В, Х=1
В)
Прямое прохождение, f=50
Гц, Х=0 (Y=0), дБ,
Y=1 В (Х=1 В)
-46
(-60)
-46
(-46)
-84
(-84)
Полоса пропускания (-3дБ),
МГц
250
1
350
0,2 (на частоте
3,58 МГц)
-
0,045 (от 0 Гц до 36
МГц)
Скорость нарастания, В/мкс
1000
-
—
Время установления (1% от
UВЫХ.МАКС), мкс
0,02
-
—
-46
-68 (10 МГц)
-64 (30 МГц)
-52 (50 МГц)
Разность фаз между
каналами X и У, не
более, град (в полосе
частот)
Подавление несущей в
режиме балансного
смесителя, дБ
(частота несущей)
-70 (10 МГц)
-40 (50 МГц)
Таблица 4
Сравнительная характеристика стабилизаторов
напряжения
Характеристики
Напряжение питания, В
Сравнительная
Вариант 2характеристика СН
Вариант 1
СН на
KIA7805API
СН на АБМК_1_2
АБМК_1_2
7-12
7 - 12
8-30
5
5
5
Максимальный ток нагрузки, А
1,2
0,12
1,5
Потребляемый ток без нагрузки, мА
1,7
1,2
4,2
Нестабильность напряжения, %/В
0,06
0,03
0,25
Нестабильность тока нагрузки, %
при I=1А 0,01
при I=0,1А
0,005
при I=1А 0,25
Защита регулирующего элемента по
току нагрузки
Есть
Есть
Есть
Защита регулирующего элемента по
мощности
Есть
Нет
Есть
Температурная нестабильность %/К
0,01
0,01
0,012
Выходное напряжение, В
Таблица 6
Прецизионный ограничитель спектра
Параметры динамического
диапазона
Параметры АЧХ
Тип
фильтра
Неравномерность
(мдБ)
Затухан
ие
(дБ/окт)
Затухание
(дБ)
Диапазон
рабочих
частот
(кГц)
МикАн 5
5
16
96
MAX7409
3000
18
MF65
200
LMF100
200
К
н
U
см
U
Питание
U0
I
В
В
мА
вых
0
(%)
Шум
мкВ
мкВ
0–300
0.06
20
0.5
1,4
5
6
46
0.0015–
15
3
350
500
0
5
8
10
18
40
0.002–20
-
150
80
2,2
5
6
18
50
0.001–
100
1,5
200
-
5
8
12
Таблица 8
сновные параметры инструментальных усилителей
Параметры линейного
преобразования
Тип устройства
Питание
Дрейф нуля
КСН,
дБ
К,
дБ
fГР_сн, кГц
fГР, кГц
Еп, В
I 0 , мА
Uдр, мкВ
1 МОУ
-98
6-28
8,2
3
5
2,8
526
2 ОУ и
1 МОУ
-104
9-80
8,4
2,4
5
6,8
264
2 ОУ и
2 МОУ
-193
15-85
8,4
2,4
5
9,7
0,2
3 МОУ
-131
0-33
1,0
57,5
5
8,6
40
Параметры аналоговых устройств, выполненных на основе АБМК_1_3
Формирователи сигналов
Компаратор_1
Состояние
есть опытные образцы одно и двухканальных ИС
Напряжение питания, В
+5
Ток потребления (на канал), мА
12,0
Входной ток, мкА
5,0
Тип выходного каскада
открытый коллектор
Выходной ток, мА
4,0
Задержка
включения/выключения, нс
менее 5,0
Длительность фронта
нарастания/спада, нс
менее 3,0
Компаратор_2
Состояние
есть опытные образцы
Напряжение питания, В
+5
Ток потребления (на канал), мА
25,0
Входной ток, мкА
15,0
Тип выходного каскада
эмиттерный повторитель
Задержка
включения/выключения, нс
менее 2,0
Длительность фронта
нарастания/спада, нс
менее 2,5
Триггер Шмитта
Состояние
есть опытные образцы
Особенности
триггер Шмитта на ПЭСЛ- вентилях с регулируемым
гистерезисом
Напряжение питания, В
0, + 5
Ток потребления, мА
22,0
Диапазон регулировки
гистерезиса, мВ
от 30,0 до 230,0
Тип выходного каскада
ПЭСЛ
Двухканальный коммутатор ПЭСЛ - сигналов
Состояние
есть опытные образцы
Особенности
возможность отключения
ПЭСЛ- сигналом
Напряжение питания, В
0, + 5
Ток потребления, мА
20,0
Тип управляющих сигналов
ТТЛ
Тип выходного каскада
открытый эмиттер
Двухканальный аналоговый коммутатор (аналог 04КН009)
Состояние
есть опытные образцы
Особенности
с суммированием выходных
сигналов
Напряжение питания, В
-1; + 5
Коэффициент передачи
от 1,2 до 1,3
Напряжение открывания, В
2,0
Напряжение запирания, В
4,2
Полоса пропускания по уровню -3 дБ, МГц
400,0
4-х канальный программируемый ОУ
Состояние
есть экспериментальные образцы
Напряжение питания, В
+5
Ток потребления (на канал), мА
0,25 – 2,5 (программируется уровнем тока)
Коэффициент усиления
> 4000
Частота единичного усиления, МГц 16-160 (программируется уровнем тока и
конденсаторами частотной коррекции)
Скорость нарастания выходного
напряжения, В/мкс
8-120 (программируется уровнем тока и
конденсаторами частотной коррекции)
Входной ток, мкА
от 0,5 до 5 (программируется уровнем
тока)
Выходное напряжения, В
+4
Трансрезистивный усилитель
Состояние
есть опытные образцы одно и
двухканальных ИС
Напряжение питания, В
+5
Ток потребления (на канал), мА
10,0
Входное сопротивление, Ом
50,0
Коэффициент преобразования,
мВ/мкА
50,0 (100,0 – дифференциальный)
Допустимое сопротивление
нагрузки, кОм
>1,0
Полоса пропускания по уровню -3
дБ, МГц
> 10,0
Однокаскадный усилитель напряжения
Состояние
есть экспериментальные образцы
Особенности
головной p-ПТП, усилитель предназначен
для применения в ЗЧУ
Напряжение питания, В
0, + 6
Ток потребления, мА
0,35
Коэффициент усиления
>300,0
Допустимое сопротивление нагрузки, кОм
>50,0
Полоса пропускания по уровню -3 дБ, МГц
> 0,4
Однокаскадный усилитель напряжения
Состояние
есть экспериментальные образцы
Особенности
головной p-ПТП, усилитель предназначен
для применения в ЗЧУ
Напряжение питания, В
0, + 6
Ток потребления, мА
0,25
Коэффициент усиления
>100,0
Допустимое сопротивление нагрузки, кОм
>50,0
Полоса пропускания по уровню -3 дБ, МГц
> 0,36
Пример применения ИС в интеллектуальных датчиках
1. Повышение достоверности
результатов измерений в процессе
работы в системе.
2. Разработка и применении более
точных и более разнообразных методов
обработки измерений
3. Повышение надежности, снижение энергопотребления и
уменьшение массогабаритных характеристик.
Базовая архитектура AMS СнК
MS1
MS2
СФ-блоки
с АЦпреобразователями
DSP
СФ-блоки
с ЦАпреобразователями
OS1
OS2
MSI
ЗПР1
ЗПРI
OSJ
AMBA
Традиционная архитектура SoC-контроллера
ЦП ввода
АПm+1
ЦАП
АМ
АЦП
АП2
МК
АПm+2
от
.
.
.
ЦАП
к исполнительным устройствам
датчиков (MS)
ИУ
Ф
АП1
АПn
ЦП вывода
Таблица 1. Базовые требования к АП типовых микроконверторов
Базовые требования к АП
Основные параметры АЦП
Параметры датчика
x,%
1
f , Гц
ДД,
дБ
,%
, дБ
Uдр,
мВ
ΔЕоп,
мВ
n
fт, кГц
Еоп, В
100
20
0,05
65
0,5÷1
1,2÷2,4
10
250÷500
1,2÷2,5
Архитектура SoC-контроллера для
датчиков импульсного типа
ЦП ввода
от частотных датчиков
CТ 1 n+m
CT 2 m+n MS
.
.
.
1
MS
МК
tи
tи
АПq+1
ЦАП
АПq+2
АПq
CT 1
MS
CT 2
MS
tи
tи
ЦАП
к исполнительным устройствам
АП1
1
uk(t)
..............
ЦП вывода
U

k
S=1
S=0
Tп
t0
U

k
t1
S=1
Tи
t2
S=0
t
t3
Базовая структура интерфейса
C
-ех(t)
Е0
S
uk(t)
R
U
S

k
S=1
S=signuk
S=–signuk
m
Ти
t0
Сч2
uk(t)
1
S=0
Tп
U
t1
S=1
Tи
t2
S=0
t
t3

k
Сч/Зп
ГТИ
1
fт
Сч/Зп
r
Сч1
n
kr
ex  t   ex 0 Vt ,
Тп
U  U 
Tп   k
ex  t 
U  U 
Tи   k
Е0
Tи
e x (t )  E0
Tп
ex  t   ex  t1   ex  t0  Tп / 2  .
Структурные свойства интерфейса
В функциональном отношении использование
импульсно-потенциальных интерфейсов
позволяет:
• обеспечить за счет частотного выхода простыми
аппаратными средствами связь с достаточно
удаленными сенсорными элементами;
• осуществлять регулярный мониторинг доминирующих
параметров преобразователей;
• организовать асинхронный ввод результатов измерения
в специальные области памяти микроконтроллера;
• существенно сократить число внешних прерываний в
СнК и повысить потенциальное быстродействие системы
в целом.
Реализация проходных ключей и
взаимодействие
чувствительных элементов с преобразователем
R02
R01
Еоп
1
2
ИУ
ИМ
К
К интегратору
1
-ex(t)
2
ex t    Eоп KKп Х
 Eоп 


0 

K
2
22 n K п Х min
Х
Tи
Тп
KK п
Основные выводы
С точки зрения технологии производства полученные
результаты позволяют:
•
•
•
•
•
полностью исключить из структуры собственно микроконтроллера
технологически сложные (немасштабируемые) аналоговые активные
компоненты;
в качестве опорных (базовых) источников использовать только один
природно-высокостабильный кварцевый резонатор;
заметно упростить прямой доступ к ОЗУ источников основных
сообщений и упростить прерывания по результатам измерения;
полностью исключить из аналого-цифрового тракта преобразования
ограничители спектра (фильтры), прецизионные резистивные
элементы, АЦП и, следовательно, существенно уменьшить
"компонентную нагрузку" на аналоговую часть сенсорного
интерфейса и этим создать предпосылки для его производства,
например, в радиационно-стойком варианте;
учесть базовый комплекс ограничений отечественного
технологического оборудования при разработке полной
номенклатуры принципиальных схем и обеспечить производство
широкого класса отечественных смешанных СнК.
Аналого-цифровой интерфейс датчика Холла
C
-ех(t)
Е0
R02
S
R
S
S=signuk
R01
S=–signuk
Еоп
1
2
ИМ
ИУ -e (t)
x
К
m
К интегратору
Ти
Сч2
1
2
Сч/Зп
1
uk(t)
ГТИ
1
fт
Сч/Зп
r
Сч1
n
kr
Tи
e x (t )  E0
Tп
Тп
U  U 
Tи   k
Е0
uk(t)
U

k
S=1
S=0
Tп
t0
U
t1
S=1
Tи
t2

k
U  U 
Tп   k
ex  t 
S=0
t
t3
Быстродействующий прецизионный фотоприемник
CК
h
F  p  R
R
R1
R2

p 

R3
UП
Блок компенсации
æ
Фототок
П1  2 æ
К
,
a1 
,
2
, Fи  R,
К
П1æ
 2 К
1 
1 R1
,
1 R  1 R1  1 R2
R4
.
R3  R4
Основные параметры ФПУ
S Ch
I ф =4,9мкА
p 2  pd p p   p2


 1
 t К  1  2
,
П1æ æ П1 

1R
 К  C К R,
2 
,
1 R  1 R1  1 R2
dp 
R4
R0
pa1   p2
SR П
UП
max,
MB
Uш,
мкВ
1
100
55
U
0
-2,4
Eвы
%
ht 
U П U П S П
х,
мкВ
% на
10оС
T3,
НС
ДД,
дБ
140*
0,1
-4,25
0,05
90
65
0,2
-4,25
0,05
210
54
*
I ф =0,6мкА
-3,4
1
100
200
1180
**