Design of Voltage Comparators Based on the Elements of the Radiation-Hardened Low-Temperature BiJFET Array Chip MH2XA030

 
Prokopenko N.N. (Don State Technical University, IPPM RAS), Dvornikov O.V. (MNIPI), Tchekhovski V.A. (), Diatlov V.L. (MNIPI), Budyakov P.S. ("PULSAR" Scientific and Production Enterprise, Joint Stock Company, Don State Technical University)
 
Abstract - Brief information about the new array chip (AC) MH2XA030 intended for accelerated creation of analog integrated circuits (ICs), which retain their performance under the influence of penetrating radiation and extremely low temperatures (up to minus 1970С) is presented. The tools of circuit design of low temperature ICs based on LTSpice CAD and built-in standard models of field-effect and bipolar transistors are considered. The dependences of the base current gain of n-p-n transistors of AC on the emitter current at different temperatures and neutron fluxes are shown. Recommendations on the circuit design of radiation-hardened and low-temperature ICs based on the AC are developed. The layout of the macrocells of the voltage comparator (VC), which is part of the AC structure, is shown. The features of circuit design of VC are considered, its electrical circuit is shown, which includes measures for eliminating the saturation of transistors, reducing power consumption and signal delay, improving the temperature stability of the stage of the level shift of DC voltage. The results of simulation of transient processes in VC are provided, which provides: the delay time at switching-on is 8.74 ns / 4.41 ns / 4.12 ns (for exceeding the threshold by 10 mV / 100 mV / 1 V) and at shutdown - 2, 53 ns / 4.34 ns / 9.61 ns (for exceeding the threshold by 10 mV / 100 mV / 1 V), the maximum output current is 3.55 mA, the input current is 0.37 μA. The supply voltage of the VC is ± 5 V, the current consumption is 1.69 mA. The microcircuit of the AC MH2XA030 is recommended for solving problems of space instrument engineering and high-energy physics.

Keywords - analog integrated circuits, array chip, radiation hardness, cryogenic electronics, voltage comparator

Проектирование компараторов напряжений на базе элементов радиационно-стойкого низкотемпературного BiJFET базового матричного кристалла МН2ХА030

 
Прокопенко Н.Н. (Донской государственный технический университет, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, г. Шахты), Дворников О.В. (ОАО "МНИПИ", г. Минск), Чеховский В.А. (Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий БГУ, г. Минск), Дятлов В.Л. (ОАО "МНИПИ", г. Минск), Будяков П.С. (АО "Научно-производственное предприятие "Пульсар", Донской государственный технический университет, г. Москва)
 
Аннотация - Представлена краткая информация о новом биполярно-полевом (BiJFET) базовом матричном кристалле (БМК) МН2ХА030, предназначенном для ускоренного создания аналоговых интегральных схем (ИС), сохраняющих свою работоспособность при воздействии проникающей радиации и предельно низких температур (до минус 1970С). Рассмотрены средства схемотехнического проектирования низкотемпературных аналоговых ИС на основе САПР LTSpice и встроенных типовых моделей полевых и биполярных транзисторов БМК. Разработаны рекомендации по выбору статических режимов с учетом зависимости коэффициента усиления по току базы транзисторов БМК от тока эмиттера при разных температурах и потоках нейтронов. Приведена топология макроячейки компаратора напряжения (КН). Рассмотрены особенности схемы КН, в котором предусмотрены меры для исключения насыщения транзисторов, уменьшения энергопотребления и задержки сигнала, улучшения температурной стабильности каскада сдвига уровня постоянного напряжения. Приводятся результаты моделирования переходных процессов в КН, который при высокой радиационной стойкости обеспечивает: время задержки при включении от 4,12 нс до 8,74 нс и при выключении – от 2,53 нс до 9,61 нс, максимальный выходной ток - 3,55 мА, входной ток - 0,37 мкА. Напряжение питания КН– ±5 В, ток потребления – 1,69 мА. Микросхема БМК МН2ХА030 рекомендуется для решения задач космического приборостроения и физики высоких энергий.

Ключевые слова - аналоговые интегральные схемы, базовый матричный кристалл, радиационная стойкость, криогенная электроника, компаратор напряжения