Проектирование радиационно-стойких ИОУ. На этапе проектирования проблему повыше¬ния радиационной стойкости аппаратуры наибо¬лее эффективно можно решить соответствую¬щим выбором способа коррекции переходных и частотных характеристик усилителя. Наи¬лучшие результаты получаются при включении быстродействующего канала (см.рис.3) параллельно наибо¬лее инерционному каскаду интегрального операци¬онного усилителя, а наихудшие результаты при коррекции интегрирующим конденсатором Скор, подключаемым между выходом и входом каскада промежуточного усилителя в микросхеме.
Рис.3. Аналоговое устройство на АИМС с параллельным бы¬стродействующим каналом: а - структурная схема; б - схема замещения Включение быстродействующего канала при определенных условиях существенно повышает быстродействие интегрального операционного усилителя и, соответственно, частоту единичного усиления f1ис. Это позволяет, используя низкочастотную микросхему с повышенной радиационной стойкостью, спроектировать быстродействую¬щий усилитель, способный работать нормально при заметно большем уровне ионизирующего из¬лучения.
Этот способ коррекции одновременно позволяет на порядок и более сократить продол¬жительность ВПР усилителя.
Реализация этого способа коррекции возможно только у интегрального операционно¬го усилителя с дополнительными выводами для подключения корректирующего конденсатора (как, например микросхема LM101A и ее аналог 153УД2). При этом быстродействующий канал, подключаемый к указанным выводам, строят на дискретных элементах.
Указанными особеннос¬тями реализации объясняется ограниченное при¬менение этого способа коррекции. Включение корректирующего конденсатора Скор, во-первых, приводит к уменьшению импульс¬ной добротности интегрального операционного усилителя в (1 + Скор/Сис)1/2 раз и, соответственно ча¬стоты единичного усиления f 1кор. При этом прихо¬дится использовать более высокочастотные мик¬росхемы, которые, как правило, обладают мень¬шей радиационной стойкостью.
Во-вторых, оно сопровождается заметным увеличением коэффи¬циента передаточной функции интегрального операционного усилителя b1кор = СкорRкор.эк + b1ис величиной которого лимитируется (для предот¬вращения перегрузки по входу) наибольшая амп¬литуда выходного напряжения усилителя. Кроме этого происходит увеличение ВПР в b1кор / b1ис раз (причем часто 1кор / b1ис > 10) Возрастает амп¬литуда отклонения выходного напряжения при ИИИ. Необхо¬димо учитывать еще один недостаток коррекции интегрирующим конденсатором, заключающим¬ся в следующем.
Если из-за радиационного воз¬действия сопротивление Rкор.эк уменьшается на¬столько, что оно становится меньше Rкор.эк < (b2исF)1/2/Cис, то выбранная микросхема оказывается непригод¬ной для обеспечения заданного усиления Кu с тре¬буемым быстродействием. При этом требу¬ется выбирать более высокочастотный интег¬ральный операционный усилитель (независимо от того коррекция внутренняя или внешняя). 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 d2 (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.