Дифференциальные каскады

Дифференциальные каскады. Принято считать, что стойкость аналоговых интегральных микросхем к спецвоздействиям оп¬ределяется, прежде всего, радиационными эф¬фектами во входных каскадах, в качестве кото¬рых, как правило, применяют дифференциаль¬ные каскады (за исключением трансимпедансных ИОУ). В дифференциальном каскаде приведенное ко входу откло¬нение выходного напряжения от своей номинальной величины, вызываемое действием эффектов смещения и ионизации, опреде¬ляется формулой (где Kвл.ип коэффициент влияния нестабиль¬ности напряжений источников питания, обусловленных радиаци¬онными эффектами) Представленное соотношение применимо для диффе¬ренциальных каскадов, включенных в аналоговые ИМС с изоля¬цией диэлектрической пленкой.

В ИМС с изоляцией р-п-переходом в ряде случаев требуется учет паразитного р-п-р-транзистора, образуемого базовым и коллекторным слоями рабо¬чего транзистора и подложкой ИМС. Благодаря высокому коэффициенту по¬давления синфазных сигналов, образуемых пере¬падами ионизационных токов как на входах, так и на выходах, разность выходных напряжений и входной ток сдвига из¬меняются незначительно.

Поэтому отклонение выходного напряжения от нуля определяется не входным дифференциальным каскадом, а реакцией последующих каскадов.

Существенно меняется входной ток смещения; это ток, который определяется не разностью токов, а их средним значени¬ем, изменение которого определяется изменением N. Отклонение выходного напряжения происходит также из-за радиацион¬ной нестабильности тока в эмиттерах. В аналоговых ИМС с дифференциальным каскадом на входе в качестве пары используют униполярные транзисторы с управ¬ляющим p-n-переходом. При этом токи затворов определяются токами обратносмещенных p-n-переходов — затворов.

Как из¬вестно, МДП-транзисторы обладают меньшим входным током, чем транзисторы с управляющим p-n-переходом. Однако МДП-транзисторы очень чувствительны к импульсным помехам, по¬этому при использовании их во входных каскадах требуется за¬щита входов диодами, токи утечки которых сводят на нет пре¬имущества МДП-транзисторов. Необходимость диодной защиты отпадает в ИМС с внутрисхемной связью входа аналоговой части схемы с предшествующими схемами. При этом использование МДП-транзисторов в качестве дифференциальной пары позволя¬ет заметно уменьшить Iвхсм и Iвх.сд определяемые токами утечки диэлектрических затворов.

Действие переходных ионизационных эффек¬тов можно оценить при помощи моделей диффе¬ренциальных каскадов на биполярных транзис¬торах (рис. 1а) и униполярных транзисторах с уп¬равляющим p-n-переходом (рис. 16). Рис. 1. Модели дифференциальных каскадов для анализа переходных ионизационных эффектов: (а) - на биполярных транзисторах; (б) - на униполярных транзисторах с управляющим p-n-переходом. В этих схемах фототоки источников стабилизированного тока I0 непосредственно не учитываются, так как их дей¬ствие подавляется (так же как действие всяких синфазных помех). Косвенное влияние этих фо¬тотоков, приводящее к изменению тока I0 в эмит¬терах или истоках транзисторных пар, удобно учитывать наряду с другими причинами измене¬ния этого тока, представив, что при облучении ток I0 изменяется в (1 + ф) раз (где ф - коэффи¬циент изменения тока I0). В модели на рис.1,а действие фототоков, об¬разуемых потоком носителей через коллектор¬ные переходы, которые генерируются в базах транзисторных пар Т1 и Т2, учитываются посред¬ством источников тока Iфкп1 и Iфкп2 (влиянием фо¬тотоков, образуемых потоком носителей через эмиттерные переходы Т1 и Т2, пренебрегаем). Фототоки, которые возникают в коллекторных слоях транзисторов Tl, T2 и прилегающих к ним областях подложки с изолирующими р-п-переходами, учитываются источниками токов, шунтиру¬ющих коллекторные и эмиттерные переходы па¬разитных транзисторов ТП1, ТП2 и источниками фототоков Iфип1, Iфип2. Для упрощения моделей аналогичные паразитные транзисторы, связан¬ные диффузионными резисторами, не показаны.

В модели на рис.1,б учтены фототоки, возни¬кающие в каналах транзисторов Tl, T2 и прилегающих к каналам слоях подложки и изолирующих р-n-переходах.

Действие ионизирующих излуче¬ний приводит к отклонению от нуля выходного напряжения дифференциального каскада.

Влияние ионизационных эффектов, вызывае¬мых воздействием электронного, высокоэнерге¬тического нейтронного и -излучений, проявля¬ется прежде всего в виде заметного увеличения токов утечки и канальных токов, что приводит к росту входных токов смещения Iвх см и сдвига Iвх сд. Происходит также уменьшение коэффициента пе¬редачи тока базы N, влияющее как на точностные характеристики каскада, так и на его усилитель¬ные параметры.

Может происходить заметное из¬менение выходных потенциалов каскада вследст¬вие роста тока I0 стабилизированного источника.

Анализ влияния поверхностных ионизацион¬ных эффектов требует более подробной инфор¬мации о топологических и технологических осо¬бенностях изготовления элемента ИМС, а также об изменениях заряда в приповерхностных слоях. Для этого обычно используют тестовые структуры. Как показывает анализ, приведенное к входу импульсное отклонение собственного выходного напряжения дифференциального каскада (а не всего ИОУ) от номинальной величины оказыва¬ются не столь заметными, несмотря на сущест¬венное увеличение входных токов ИОУ при им¬пульсном воздействии.

В литературе отмечается, что отклонение вы¬ходного напряжения ИОУ от нуля при спецвоз¬действии обусловлено не изменением выходных потенциалов дифференциальных каскадов, а в ос¬новном происходит из-за нарушения режима по постоянному току выходных повторителей, при¬чем это отклонение имеет одну и ту же поляр¬ность, т.е. выходное напряжение отклоняется в сторону положительного источника питания.

Экс¬периментально было проверено, действительно ли влияние фототоков в выходных повторителях яв¬ляется определяющим.