А. Гольдшер, Э. Аткин

Быстродействующие аналоговые интегральные миросхемы для аппаратуры физического эксперимента

Современная аппаратура физического эксперимента (АФЭ), предназначенная, в частности, для проведения исследований в области физики высоких энергий и физики элементарных частиц, характеризуется увеличением числа электронных каналов сбора и обработки информации, достигающих в настоящее время нескольких сот тысяч, а в ближайшие 5-7 лет — нескольких миллионов. Это потребовало кардинального изменения подхода к созданию регистрирующей электроники, которая должна одновременно обеспечивать высокое быстродействие, расширенный динамический диапазон, относительно малую потребляемую мощность, высокую чувствительность, а также повышенную радиационную стойкость. Последнее требование обусловлено тем, что электронные устройства располагаются непосредственно на самих детекторах ионизирующего излучения или недалеко от них. При этом особо важное значение приобретают такие факторы как габариты, стоимость, сроки разработки и изготовления электронных (печатных) узлов.

Каждый из физических экспериментов, каждый тип используемых детекторов характеризуется своими специфическими особенностями, что предопределяет различные требования и к детекторной электронике, которая, по-существу, для каждого эксперимента должна быть специализированной. Однако это отнюдь не означает, что для каждого эксперимента необходима разработка специализированных БИС, поскольку такой путь не оправдан прежде всего экономически, а также продолжителен по срокам разработки. Поэтому более перспективным как по срокам разработки, так и по срокам изготовления микросхем является использование базовых матричных кристаллов (БМК).

Применение БМК позволяет только путём изменения топологии коммутационных слоёв создать БИС, учитывающие особенности конкретных физических экспериментов, в исключительно короткие сроки (3-4 месяца) и с низкой себестоимостью, в частности, за счёт использования библиотеки схемотехнических и топологических решений.

Многоканальную АФЭ, системы мониторинга окружающей среды, безопасности ядерных pеактоpов, учёта делящихся материалов объединяют общие алгоритмы обpаботки сигналов с детекторов ионизирующих излучений. Это позволило специалистам ряда организаций страны в относительно короткие сроки создать базовый комплект аналоговых микросхем для систем детекторной электроники. Он реализован как в виде специализированных интегральных микросхем (СИМС), так и на основе специализированного базового матричного кристалла (СБМК).

В настоящее время базовый комплект включает следующие специализированные ИМС:

• ИМС, содержащую быстродействующий компаpатоp и D-тpиггеp, предназначенную для использования в устройствах быстрой временной пpивязки (доли нс) — А1181;
• 4-канальную ИМС усилителя-фоpмиpователя с дифференциальным входом и выходом, предназначенную для амплитудной обpаботки информации (усиления, фильтрации) — А 1182А;
• 4-канальную ИМС усилителя-фоpмиpователя с дифференциальным входом и выходом для проволочных детекторов с электронной регулировкой формы аналогового сигнала — А 1182Б;
• 4-канальную ИМС дифференциального маломощного компаратора наносекундного диапазона, предназначенную для дискриминации аналогового сигнала — А 1183А;
• 4-канальную ИМС дифференциального компаратора наносекундного диапазона, содержащую схему регулировки гистерезиса — А 1183Б;
• 4-канальную ИМС дифференциального компаратора наносекундного диапазона, имеющего выходной каскад с открытым коллектором и реализующего функцию “ИЛИ” по 4 каналам — А 1183В.

БИС А 1184, реализованная на основе СБМК А3201, включает 8 каналов съёма и предварительной обработки аналоговых сигналов, поступающих с проволочных трековых детекторов. Обобщённая структурная схема канала детекторной электроники представлена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема канала детекторной элетроники

БИС А 1184 выполнена на двух чипах — аналоговом, содержащем 8 предусилителей-формирователей, и дискретно-аналоговом. Последний включает 8 компараторов, выходные драйверы и дополнительную общую на 8 каналов схему “ИЛИ”.

Активными элементами микросхем являются n-p-n транзисторные структуры и p-n-p вертикальные транзисторы с коллектором в подложке. Пассивными — резисторы (низко-, высокоомные) и ёмкости на основе МОП-структур. Поперечное сечение структуры одной из микросхем (А 1184) представлено на рис. 2.

Рис. 2. Сечение структуры специализированного базового матричного кристалла

Использование такой элементной базы одновременно обеспечивает совокупность требований к электрическим параметрам ИМС, их высокую стойкость к воздействию спецфакторов, технологичность процессов изготовления, высокий процент выхода годных.

СБМК А 3201, описанный в [1], содержит порядка 7000 элементов, в том числе около 1400 n-p-n транзисторных структур с граничной частотой усиления по току fГР = 7 ГГц.

Функциональные модули СБМК и элементы, содержащиеся в каждом из них, перечислены в табл. 1. Количество контактных площадок на кристалле — 58, число уровней металлизации — два.

Таблица 1. Элементы специализированного базового матричного кристалла А 3201

Примечание: Тип 1 - n-p-n транзисторы, рассчитанные на рабочий ток коллектора I_C = 0,5 мА; тип 2 - n-p-n транзисторы с барьером Шоттки, рассчитанные на рабочий ток коллекторы I_C = 0,5 мА; тип 3 - n-p-n малошумящие транзисторы; тип 4 - n-p-n транзисторы, рассчитанные на рабочий ток коллектора I_C = 3...5 мА; тип 5 - p-n-p с коллектором в подложке; R_B - высокоомные резисторы; R_H - низкоомные резисторы; С₁, С₂ - емкости на основе МОП-структур.

В основу технологического процесса изготовления микросхем положена планарно-эпитаксиальная технология с изоляцией элементов ИМС обратносмещённым р-n-переходом. При этом изолирующая диффузия бора осуществляется с использованием сильнолегированных р+-слоев и с сохранением боросиликатного стекла перед второй стадией диффузии, что позволило, по сравнению с обычно применяемыми режимами, снизить паразитные ёмкости изолирующих переходов в 1,5 раза за счёт уменьшения составляющей, обусловленной ёмкостью боковых стенок.

К основным технологическим особенностям микросхем следует также отнести:

• использование процессов ионного легирования сурьмы, бора и мышьяка, обеспечивающих высокую воспроизводимость электрофизических параметров слоёв в широком диапазоне концентраций легирующих примесей;
• малые глубины залегания р-n-переходов, составляющие доли мкм, что при соответствующей геометрии элементов ИМС и технологическом процессе их изготовления обеспечило величину граничной частоты усиления по току n-р-n- транзисторных структур f_ГР = 7 ГГц;
• малые размеры элементов, в наибольшей степени влияющих на быстродействие микросхем, в частности, использование так называемого “полного” эмиттера. Минимальный размер эмиттера, в свою очередь, ограничен требованиями по величине сопротивления тела коллектора r_К транзисторных структур;
• использование в качестве барьерного металла в диодах Шоттки молибдена, обладающего, по сравнению с алюминием или силицидом платины, существенно меньшей высотой потенциального барьера j_б, что позволило одновременно обеспечить заданные величины прямых падений напряжений U_пр и низкое значение паразитных ёмкостей С_g;
• использование двухуровневой металлизации на основе алюминия, легированного кремнием (порядка 1%). В качестве межслойного ди-электрика применяется плёнка диоксида кремния SiO2, частично легируемая фосфором.

Технологический процесс может быть использован не только при изготовлении микросхем для систем детекторной электроники, но и при разработке широкого класса быстродействующих цифровых и аналоговых БИС. В частности, он положен в основу создания БИС электроники обрамления современных фотоприёмных устройств [2].

Топологии микросхем А 1181, А 1182, А 1183, А 1184 защищены охранными документами РФ, что свидетельствует об их новизне и оригинальности.

Микросхема А 1181, предназначенная для использования в устройствах обработки сигналов наносекундного диапазона, в частности, в блоке точной временной привязки АФЭ, достаточно подробно описана в [3]. В ней приведены параметры функциональных модулей ИМС и изложены результаты её испытаний в многоканальной АФЭ.

Для усиления и формирования (укорочения) сигналов, поступающих с высокоомных датчиков с конструктивной ёмкостью до 50 пФ, предназначена микросхема А 1182. В зависимости от параметров корректирующей цепочки, она может использоваться так же, как ИМС с большим коэффициентом передачи, не допуская, правда, при этом изменения формы выходного сигнала. Микросхема содержит 4 равноценных канала усилителя-формирователя.

Основные параметры ИМС А 1182А, наиболее широко применяемой в настоящее время в аппаратуре, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные параметры ИМС усилителя-формирователя А 1182А

ИМС А 1182Б, допуская изменение формы выходного сигнала, обладает несколько большей потребляемой мощностью — 30 мВт/канал. Остальные параметры идентичны ИМС А 1182А.

Микросхема А 1182А может быть также использована как 8-канальный усилитель-формирователь, но не дифференциальный. При таком включении она обладает величинами t_Н = 8 нс и t_И = 50 нс, но одновременно и меньшей потребляемой мощностью — 12 мВт/канал. Схема включения 4 каналов показана на рис. 3а, а 8 — на рис. 3б. В 4-канальной схеме (рис. 3а) порог для компаратора задаётся через выводы 3, 5, 9 и 11. При подаче на них потенциала от -3 до -1,5 В порог устанавливается в диапазоне 0...180 мВ.

Рис. 3. Схемы включения многоканальных ИМС усилителя-формирователя А 1182 ("а" - 4-канальный вариант, "б" - 8-канальный вариант)

Питание микросхем осуществляется от двух источников, напряжение которых соответственно составляют V₊ = 3 В и V_- = -3 В. Допустимый разброс напряжений питания — ±5%. Конструктивно они выполнены в корпусе Н09.28-1 ВНБ. Возможна поставка микросхем и в бескорпусном исполнении (модификация 4).

Микросхемы А 1183 предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Логика выходного сигнала программируется напряжениями источников питания. В частности, на выходе ИМС А 11183Б может быть получен один из трёх логических уровней — GTL, TTL, ECL, в зависимости от величины напряжения, подаваемого на выходной каскад. Микросхемы содержат 4 идентичных канала. Порог срабатывания компаратора устанавливается на одном из входов внешним делителем напряжения.

В табл. 3 приведены основные параметры одного из компараторов — А 1183А.

Таблица 3. Основные параметры ИМС 4-канального быстродействующего компаратора А 1183А

*) - порог компаратора приведен для случая использования компаратора совместно с усилителем-формирователем А 1182.

**) - GTL - низкоуровневая КМОП-логика: уровень "логической единицы" - + 1,2 В, уровень "логического нуля" - +0,4 В.

Микросхема А 1183Б, допуская программирование логики выходного сигнала, обладает большей потребляемой мощностью — 30 мВт/канал (при сохранении быстродействия на уровне ИМС А 1183А). Таким же сочетанием параметров характеризуются и микросхемы А 1183В.

Схемы включения всех типов ИМС А 1183 одинаковы (рис. 4).

Рис. 4. Схема включения 4-канальных ИМС компаратора А 1183

Питание микросхем осуществляется от двух источников, напряжения которых соответственно составляют V₊ = 3 В и V_- = -3 В. Конструктивно они выполнены в корпусе Н06.24-2 В. Возможна поставка микросхем и в бескорпусном исполнении (модификация 4).

На основе СИМС А 1182, А 1183 и БИС А 1184 реализованы печатные узлы УП 2542 и УП 25411, предназначенные соответственно для съёма и предварительной обработки сигналов с многопроволочных дрейфовых камер. Электрические характеристики печатных узлов, полученные в результате тестов, проведённых в лабораторных условиях, а также с различными прототипами дрейфовых камер, приведены в табл. 4.

Таблица 4. Основные электрические характеристики печатных узлов

*) - указанные значения емкости на входе усилителя 5 пФ.

Для сравнения в табл. 4. показаны характеристики ещё двух печатных узлов — УП2545 и УП2541. Первый из них реализован на основе БИС ASD-8, разработанной в Пенсильванском университете (США) и наиболее широко применяемой в настоящее время зарубежными научными Центрами. УП2541 был разработан в 1995 году на четырёх микросхемах 2-канального усилителя-формирователя, выполненных на отечественном БМК 1451ХН1, и двух ИМС 4-канального компаратора МАХ901 фирмы MAXIM (США). Из табл. 4 видно, что УП, созданные на основе разработанных СИМС и БИС, по всем основным характеристикам существенно превосходят УП2541 и не уступают УП2545. Вместе с тем, УП 25411, в отличие от УП2545, обладая в 1,5 раза лучшим быстродействием (при одинаковой потребляемой мощности) и большим размахом выходного сигнала формирователя, уступает последнему по чувствительности (величине передаточного сопротивления). В настоящее время на СБМК А 3201 завершается разработка БИС, которая должна быть лишена этого недостатка и одновременно обладала бы всеми достоинствами БИС А 1184.

В качестве активных элементов микросхем А 1181 ё А 1184, как уже отмечалось ранее, использованы n-p-n транзисторные структуры. Такой же элементной базой характеризуется и ИМС на основе БМК 1451ХН1, МАХ 901, ASD-8.

Отсутствие во всех типах рассмотренных микросхем комплементарных высокочастотных транзисторных структур влечёт за собой усложнение схемотехники, ухудшение технических характеристик микросхем, а в ряде случаев — практически исключает возможность реализации ряда важнейших узлов в дифференциальном варианте. Таким образом, дальнейшее совершенствование ИМС для систем детекторной электроники связано с созданием БИС на основе n-p-n и p-n-p высокочастотных транзисторных структур с величиной fГР не менее 2–3 ГГц, достаточно близкими значениями основных электрических параметров и с использованием диэлектрической изоляции. Это, в частности, позволит:

• существенно увеличить отношение быстродействия к потребляемой мощности — важнейший показатель качества многоканальных микросхем. Особенно это важно для усилителей и компараторов, работающих на большую емкостную нагрузку;
• заметно (в 1,5–2 раза) увеличить степень интеграции за счёт использования p-n-p транзисторных структур в качестве токозадающих элементов вместо высокоомных резисторов;
• практически исключить взаимосвязь между каналами ИМС через источник питания за счёт подключения внутренних стабилизаторов напряжения, выполненных на p-n-p транзисторах. К ним предъявляются довольно жёсткие требования по величине проходного падения напряжения (не более 100...300 мВ) и коэффициенту полезного действия (не менее 90%). Как показывает практика, стабилизатор напряжения, построенный на n-p-n транзисторах, не может иметь проходное падение напряжения менее 1...1,5 В и коэффициент полезного действия — более 60...70%.

Разработка СБМК на основе n-p-n и p-n-p высокочастотных транзисторных структур ведётся в настоящее время специалистами ряда предприятий страны.

Созданный комплект быстродействующих аналоговых микросхем успешно апробирован в аппаратуре ведущих российских и международных научных Центров.

Его применение возможно не только в системах детекторной электpоники, но и в аппаратуре экологического и радиационного монитоpинга окружающей среды, спектрометрического анализа материалов, в космических исследованиях, в медицине.

Литература

1. Гольдшер А.И., Кучерский В.Р., Машкова В.С. Элементы быстродействующих аналоговых интегральных микросхем для систем детекторной электроники // Инженерная микроэлектроника. — 1999. — № 1. — С. 8–11.
2. Гольдшер А., Юргаев Б. Цифровой базовый матричный кристалл К 1589ХМ1 // Инженерная микроэлектроника. — 1999. — № 3. — С. 20–25.
3. Аткин Э., Гольдшер А., Кучерский В., Хлопков П. Микросхемы А1181 для устройств обработки сигналов наносекундного диапазона // Chip News. — 1998. — № 3. — С. 24–26.

Тел.: 369 4821