СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ. ЧАСТЬ 1. ОСОБЕННОСТИ И ВОЗМОЖНОСТИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ С ВНУТРЕННИМ УСИЛЕНИЕМ. ОБЗОР

The main types of the modern photo detectors applied to single photon registration are analyzed. It is offered to use silicon photomultipliers for production of multi-channel optoelectronic systems with the single photon resolution.Проанализированы основные типы современных фотоприемников, применяемых для регистрации импульсного оптического излучения видимой области спектра. Сделан вывод о том, что для создания многоканальных оптико-электронных систем с однофотонным разрешением целесообразно использовать кремниевые фотоэлектронные умножители

Проектирование BJT-JFET операционных усилителей на базовом матричном кристалле

The use of dual-gate field-effect transistors located on the base matrix crystal MH2XA031, controlled by a p–n junction needed to reduce the input current of operational amplifiers is studied. Typical circuits of operational amplifiers, containing: source repeaters connected to the inputs of the operational amplifier on complementary bipolar transistors; input differential stage on p-JFET with a “current mirror” load on n–p–n-transistors; input differential in the form of a “folded cascode” on a p-JFET are analyzed. To minimize the input current, it is re commended to use bootstrapped feedback to keep the drain-to-source voltage of the input JFETs low, independent of the input common-mode voltage, and to connect only the top gate of the dual-gate JFET to the op-amp input. The electrical circuits for MH2XA031 elements and the results of circuit simulation of the developed amplifiers, called OAmp10J, OAmp11.1, OAmp11.2, are presented. Accounting the established features of the input stages and operating modes of active elements in circuit design will allow to create an operational amplifier with the required combination of basic parameters.Рассмотрено применение расположенных на базовом матричном кристалле МН2ХА031 двухзатворных полевых транзисторов, управляемых p–n-переходом, для уменьшения входного тока операционных усилителей. Проанализированы типовые схемы операционных усилителей, содержащие: истоковые повторители, соединенные с входами операционного усилителя на комплементарных биполярных транзисторах; входной дифференциальный каскад на p-JFET с нагрузкой в виде «токового зеркала» на n–p–n-транзисторах; входной дифференциальный каскад в виде «перегнутого каскода» на p-JFET. Для максимального уменьшения входного тока рекомендовано применение следящей обратной связи, поддерживающей напряжение сток-исток входных JFET на малом уровне, не зависящем от входного синфазного напряжения, и соединение с входом операционного усилителя только верхнего затвора двухзатворного полевого транзистора. Приведены электрические схемы для элементов МН2ХА031 и результаты схемотехнического моделирования разработанных усилителей, названных OAmp10J, OAmp11.1, OAmp11.2. Учет при схемотехническом проектировании установленных особенностей входных каскадов и режимов работы активных элементов позволит создать операционный усилитель с требуемым сочетанием основных параметров

Улучшенная модель двухзатворного JFET для аналоговых интегральных микросхем

A double gate JFETs are often used in analog integrated circuits to provide an extremely low input current and capacitance when the top gate is controlled. Circuit synthesis and modeling of analog IC with such a field-effect transistor are possible only if there are models that adequately describe the features of its operation, namely, changing of the current-voltage characteristics by the top gate controlling when a constant reverse voltage is applied to the bottom gate. The article considers the modernization of the well-known electrical model of the double gate field-effect transistor for the LTSpice software, which includes taking into account the influence of the top gate voltage by connecting two series-connected functional voltage sources to the top gate, one of which ensures the coincidence of the measurement results and the simulation of the drain current at a low voltage between the top gate and the source, and the second – when the voltage between the top gate and the source is close to the cutoff voltage. A method for identifying the parameters of functional voltage sources is presented. The proposed model of a double gate field-effect transistor is advisable to use in the IC design of various analog devices, especially electrometric operational amplifiers and charge-sensitive amplifiers.Двухзатворные полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом часто применяются в аналоговых интегральных микросхемах для обеспечения предельно малого входного тока и емкости при управлении верхним затвором. Схемотехнический синтез и моделирование аналоговых микросхем с таким полевым транзистором возможны только при наличии моделей, адекватно описывающих особенности его работы, а именно – изменение вольт-амперных характеристик, управляя верхним затвором при подаче постоянного обратного напряжения на нижний затвор. В статье рассмотрена модернизация известной электрической модели двухзатворного полевого транзистора для программы LTSpice, заключающаяся в учете влияния напряжения на нижнем затворе путем включения в цепь верхнего затвора двух последовательно соединенных функциональных источников напряжения, один из которых обеспечивает совпадение результатов измерений и моделирования тока стока при малом напряжении между верхним затвором и истоком, а второй – при напряжении между верхним затвором и истоком, близком к напряжению отсечки. Приведена методика идентификации параметров функциональных источников напряжения. Предложенную модель двухзатворного полевого транзистора целесообразно использовать при схемотехническом проектировании различных аналоговых устройств, особенно электрометрических операционных усилителей и зарядочувствительных усилителей

СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ. Часть 2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ. ОБЗОР

Bias circuits, output signals and readout electronics of silicon photomultipliers are considered. Requirements to analog IC for SiPM signal preliminary processing are formulated. According to requirements the set of radiation hardened analog ICs including the comparator and transresistance amplifiers with different gain and speed is produced.Рассмотрены схемы включения, выходные сигналы и считывающая электроника кремниевых фотоэлектронных умножителей. Сформулированы требования к аналоговым устройствам для предварительной обработки их сигналов, в соответствии с которыми создана серия радиационно-стойких аналоговых микросхем, включающая компаратор напряжения и трансрезистивные усилители с разным коэффициентом преобразования и быстродействием

Особенности проектирования зарядочувствительных усилителей на арсенид-галлиевом базовом кристалле

For the production of integrated analog circuits with a small-scale integration, which are developed to operate at temperatures up to minus 200 ℃ and/or with absorbed dose of gamma radiation up to 5 Mrad, a gallium arsenide master slice has been created. The following types of active elements are used in this master slice: DpHEMT with gate dimensions 100 ηm/0,2 ηm and 10 ηm/0,2 ηm; p-n-p HBT, they were chosen for realization of most common analog circuits of operational amplifiers, comparators, voltage followers. Despite the small number of available DpHEMT with high transconductance for circuit synthesis and volt-ampere characteristics features of DpHEMT experimental samples, which exclude use of those transistors at low drain current, master slice give opportunity for developing charge-sensitive amplifiers (CSA) circuits with only one type of active elements – DpHEMT. At the same time, correct choice of the operating point of transistors provide development of low-noise, high-speed CSAs with better parameters than silicon CSAs for sensors with internal capacitance up to 100 pF. So, developed on GaAs master slice CSA with head DpHEMTs and ratio of the gate width to its length, equal to W/L = 2000 and W/L = 3000, characterized by current consumption ICC = 5,46 mA and ICC = 5,25 mA, rise time tR = 10,7 ns and tR = 9,6 ns, equivalent noise charge ENC = 3960 el, and ENC = 3700 el. with sensor capacitance of 50 pF, while the CSA with a head silicon p-channel junction field-effect transistor has W/L = 3870, ICC = 6,99 mA, tR = 27,7 ns, ENC = 5360 el. with the same sensor capacitance. Для производства интегральных аналоговых микросхем малой степени интеграции, предназначенных для работы при температуре до минус 200 ℃ и/или при поглощенной дозе гамма-излучения до 5 Мрад, создан арсенид-галлиевый базовый кристалл. Тип применяемых в базовом кристалле активных элементов, а именно: DpHEMT с размерами затворов 100 мкм/0,2 мкм и 10 мкм/0,2 мкм; p-n-p HBT, выбран для реализации наиболее распространенных аналоговых схем операционных усилителей, компараторов, повторителей напряжения. Несмотря на небольшое количество доступных для схемотехнического синтеза DpHEMT с большой крутизной и особенности вольтамперных характеристик экспериментальных образцов DpHEMT, исключающие их применение при малых токах стока, на базовом кристалле возможно проектирование схем зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ), содержащих только один тип активного элемента – DpHEMT. При этом правильный выбор рабочей точки транзисторов обеспечивает разработку малошумящих, быстродействующих ЗЧУ с лучшими параметрами по сравнению с кремниевыми ЗЧУ для датчиков с внутренней емкостью до 100 пФ. Так, разработанные на GaAs базовом кристалле ЗЧУ с головными DpHEMT и отношением ширины затвора к его длине, равным W/L = 2000 и W/L = 3000, характеризуются соответственно током потребления ICC = 5,46 мА и ICC = 5,25 мА, длительностью фронта нарастания tR = 10,7 нс и tR = 9,6 нс, эквивалентным шумовом зарядом ENC = 3960 эл. и ENC = 3700 эл. при емкости датчика 50 пФ, в то время как ЗЧУ с кремниевым головным полевым транзистором, управляемым p-n-переходом и каналом p-типа, имеет W/L = 3870, ICC = 6,99 мА, tR = 27,7 нс, ENC = 5360 эл. при той же емкости датчика

МАЛОШУМЯЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ

Schematic and design of electronics module for avalanche photodiode signal′s readout based on the pair of specialized analog ICs, are considered. Main specifications including input noise charge vs signal source capacity are presented.Рассмотрен электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов, созданный на базе двух специализированных аналоговых микросхем. Приведены результаты измерений основных характеристик и уровня шумов электронного модуля в зависимости от емкости источника сигнала (фотодиода)

Низкотемпературный мультидифференциальный операционный усилитель

A multi-differential operational amplifier, called OAmp3, designed for operation at temperatures up to minus 197 °С and developed on bipolar transistors and junction field-effect transistors of the master slice array МН2ХА030, is considered in the article. The circuitry features of the OAmp3 allow, due to the use of various negative feedback circuits, to implement a set of functions necessary for signal processing on a single amplifier: amplification (or current – voltage conversion), filtering, shift of the constant output voltage level. The performed measurements of OAmp3, connected as instrumentation amplifier circuit, showed that all manufactured products retain their performance in the temperature range from minus 150 °С to 20 °С, and individual samples – at minus 197 °С. It was found that the main reason for the loss of OAmp3 performance is an increase of the resistance of semiconductor resistors by almost 5.4 times at minus 197 °С compared to normal conditions and decrease in the junction field-effect transistor drain current. Together, these factors lead to decrease in the current consumption of the OAmp3 by almost 31 times at minus 180 °С compared to normal conditions. To reduce the temperature dependence of the current consumption and, thus, save the OAmp3 operability at low temperatures without changing the technological route of integrated circuits manufacturing, it is proposed to replace high-resistance semiconductor resistors with “pinch-resistors” formed on a small-signal p-junction field-effect transistor. The article presents the OAmp3 connection circuit in the form of an instrumental amplifier, the method and results of low-temperature measurements of experimental samples.В статье рассмотрен мультидифференциальный операционный усилитель, названный OAmp3, предназначенный для работы при температуре до минус 197 °С и разработанный на биполярных и полевых транзисторах, управляемых p-n-переходом, базового матричного кристалла МН2ХА030. Схемотехнические особенности OAmp3 позволяют за счет применения различных цепей отрицательной обратной связи реализовать на одном усилителе необходимый для обработки сигнала набор функций: усиление (или преобразование ток – напряжение), фильтрацию, сдвиг постоянного уровня выходного напряжения. Выполненные измерения OAmp3, включенного по схеме инструментального усилителя, показали, что все изготовленные изделия сохраняют свою работоспособность в диапазоне температур от минус 150 °С до 20 °С, а отдельные образцы – при минус 197 °С. Установлено, что основной причиной потери работоспособности OAmp3 является увеличение сопротивления полупроводниковых резисторов почти в 5,4 раза при минус 197 °С по сравнению с нормальными условиями и уменьшение тока стока полевого транзистора, управляемого p-n-переходом. Совместно указанные факторы приводят к уменьшению тока потребления OAmp3 почти в 31 раз при минус 180 °С по сравнению с нормальными условиями. Для уменьшения температурной зависимости тока потребления и, таким образом, сохранения работоспособности OAmp3 при низких температурах без изменений технологического маршрута изготовления интегральных микросхем предложено заменить высокоомные полупроводниковые резисторы на «пинч-резисторы», сформированные на малосигнальном p-канальном полевом транзисторе, управляемом p-n-переходом. В статье приведена схема включения OAmp3 в виде инструментального усилителя, методика и результаты низкотемпературных измерений экспериментальных образцов

Experimental studies and a double gate JFET model for analog integrated circuits

Одним из направлений улучшения параметров аналоговых интегральных микросхем является разработка новых и модернизация существующих конструкций интегральных элементов без значительного изменения технологического маршрута изготовления интегральных микросхем с одновременным созданием моделей новых интегральных элементов. В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований двухзатворного полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, изготовленного по технологическому маршруту 3CBiT ОАО «Интеграл». На основе полученных результатов предложена электрическая модель двухзатворного полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, описывающая особенности его применения в аналоговых интегральных микросхемах. Приведено сравнение результатов измерений и моделирования вольтамперных характеристик с использованием созданной модели при разных режимах управления затворами. Малая емкость и обратный ток верхнего затвора двухзатворного полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, возможность компенсации постоянной составляющей входного тока обеспечивают значительное улучшение характеристик таких аналоговых интегральных микросхем, как электрометрические операционные усилители и зарядочувствительные усилители. Разработанный двухзатворный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом может найти применение в устройствах считывания сигналов, необходимых в аналоговых интерфейсах датчиков космического приборостроения и ядерной электроники.One of directions of improving parameters of analog integrated circuits is a development of new and modernization of existing designs of integrated elements without significantly changing of a technological route of integrated circuit manufacturing with a simultaneous creation of new integrated elements models. The article considers the results of experimental studies of the double gate junction field-effect transistor manufactured according to the 3CBiT technological route of JSC Integral. Based on the obtained results, the electrical model of double gate junction field-effect transistor is proposed, which describes the features of its application in analog integrated circuits. Comparison of I-V characteristics of measurements results and created model simulation are presented. A small capacity and a reverse current of a double gate junction field-effect transistor top gate, an ability to compensate for the DC (direct current) component of an input current provide a significant improvement in the characteristics of analog integrated circuits such as electrometric operational amplifiers and charge-sensitive amplifiers. The developed double gate junction field-effect transistor can be used in signal readout devices required in the analog interfaces of space instrument sensors and nuclear electronics

Схемотехническая модернизация операционных усилителей для увеличения скорости нарастания выходного напряжения

To meet the existing needs of the domestic market of radio electronic equipment in high-speed wideband operational amplifiers, it was previously proposed to use the MH2XA031 master slice array containing complementary bipolar transistors, together with the developed circuits of the OAmp9 high-speed operational amplifier and the OAmp10 precision operational amplifier with unified cascades and the ability to program parameters such as current consumption, maximum output current, bandwidth, slew rate. The article discusses the increase in the performance of these operational amplifiers by reducing the parasitic collector capacitance of transistors by applying a reverse bias voltage to OAmp9 and using correction circuits in OAmp10, which made it possible to increase the output voltage slew rate by 29 % in the first case and 3.1 times in the second. The electrical circuits and the results of circuit simulation of the upgraded amplifiers, called OAmp9M, OAmp10M, are presented, which are respectively characterized by a zero offset voltage of 0.35 and 0.03 mV, a voltage gain of 2.7 · 103 and 3 · 105, the gain bandwidth product 161 and 68 MHz, output voltage slew rate 708 and 64.5 V/µs.Для удовлетворения существующей потребности отечественного рынка радиоэлектронной аппаратуры в быстродействующих широкополосных операционных усилителях ранее было предложено использование базового матричного кристалла МН2ХА031, содержащего комплементарные биполярные транзисторы, совместно с разработанными схемами быстродействующего операционного OAmp9 и прецизионного операционного OAmp10 усилителей с унифицированными каскадами и возможностью программирования таких параметров, как ток потребления, максимальный выходной ток, полоса пропускания, скорость нарастания выходного напряжения. В статье рассмотрено увеличение быстродействия указанных операционных усилителей за счет уменьшения паразитной коллекторной емкости транзисторов подачей обратного напряжения смещения в OAmp9 и применения корректирующих цепей в OAmp10, что позволило увеличить скорость нарастания выходного напряжения на 29 % в первом случае и в 3,1 раза во втором. Приведены электрические схемы и результаты схемотехнического моделирования модернизированных усилителей, названных OAmp9M и OAmp10M, которые соответственно характеризуются напряжением смещения нуля 0,35 и 0,03 мВ, коэффициентом усиления напряжения 2,7 · 103 и 3 ·105, произведением коэффициента усиления напряжения на ширину полосы пропускания 161 МГц и 68 МГц, скоростью нарастания выходного напряжения 708 и 64,5 В/мкс