Устройство для защиты интегральных микросхем при попадании в них тяжелых заряженных частиц
Владельцы патента RU 2305894:
Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт точных приборов (RU)
Изобретение относится к электронике интегральных микросхем и к ядерной физике и может быть использовано в составе бортовой радиоэлектронной аппаратуры аэрокосмических комплексов для защиты в "последнюю минуту". Техническим результатом изобретения является повышение надежности защищаемой микросхемы за счет снижения максимального значения тока ее срабатывания в два раза в процессе его нарастания после возникновения тиристорного эффекта от попадания тяжелой заряженной частицы за счет исключения составляющей тока потребления, обусловленного суммарной накопленной дозой радиационного воздействия космического пространства. Предлагаемое устройство содержит датчик тока, включенный между входной клеммой и электронным переключателем, выход которого является выходом устройства. Датчик тока включен между первым и вторым входами усилителя сигналов датчика тока, первый и второй выходы которого соединены с входами компаратора напряжения, подключенного к R-входу RS-триггера, который имеет приоритет по воздействию на R-вход. S-вход триггера соединен с генератором импульсной последовательности с большой скважностью. Первый выход триггера подключен к управляющему входу элекронного переключателя, а второй - с базой мощного n-p-n транзистора, коллектор которого соединен с выходом устройства, а эмиттер - с общей шиной. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электронике интегральных микросхем и к ядерной физике и может быть использовано в составе бортовой радиоэлектронной аппаратуры аэрокосмических комплексов для защиты в «последнюю минуту».
Известно устройство защиты фирмы «MAXWELL TECHNOLOGIES» (США) реализованное в виде микросхемы HSH-3000, описанное в каталоге фирмы MAXWELL.
Известное устройство содержит детектор излучений и некоторых частиц, усилитель, таймер, логическое устройство, выходные каскады.
Недостатком известного устройства является недостаточная чувствительность при попадании тяжелых заряженных частиц.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является устройство L.U - SW CL-0004, описанное в материалах фирмы «Dormer» (Германия).
Известное устройство содержит датчик тока, подключенный к входам усилителя сигналов датчика тока. Его выход соединен с входом компаратора напряжения, другой вход которого подключен к средней точке делителя напряжения. Выход компаратора через схему совпадения подключен к R-входу RS-триггера. Выход RS-триггера соединен с управляющим входом электронного переключателя, вход которого соединен с датчиком тока, а выход является выходом устройства.
Недостатком известного устройства является восприимчивость не только к составляющей тока, потребляемого защищаемой микросхемой, обусловленного номинальным током этой микросхемы, и к составляющей тока, обусловленной тиристорным эффектом, возникающим при попадании тяжелой заряженной частицы, но также и чувствительностью к составляющей потребляемого тока, обусловленной суммарной накопленной дозой радиационного воздействия, которая имеет монотонный характер нарастания. Эта последняя составляющая за определенное время достигает 40% от номинального тока, потребляемого защищаемой микросхемы. Это явление заставляет примерно вдвое увеличивать порог срабатывания защищающей микросхемы, что приводит к ухудшению чувствительности защищающего устройства и повышению разрушающего воздействия на защищаемую микросхему. Это явление приводит также к существенному увеличению задержки срабатывания защиты, к увеличению времени пребывания микросхемы в аварийной ситуации и, следовательно, к снижению надежности.
Кроме того, известное устройство имеет недостаточное быстродействие срабатывания защиты при размыкании электронного переключателя, обусловленное временем разряда конденсатора, подключенного к выводам питания защищаемой микросхемы.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности защищаемой микросхемы в условиях воздействия тяжелых заряженных частиц. Техническим результатом настоящего изобретения является снижение максимального значения тока срабатывания защищаемой микросхемы в два раза в процессе его нарастания после возникновения тиристорного эффекта от попадания тяжелой заряженной частицы за счет того, что исключена составляющая тока потребления, обусловленная суммарной накопленной дозой радиационного воздействия космического пространства, либо радиационного воздействия другого рода, что снижает разрушающее воздействие на защищаемую микросхему. Кроме того, в настоящем изобретении существенно уменьшена задержка времени срабатывания защиты, что также снижает разрушающее воздействие на защищаемую микросхему амплитудного значения нарастающего тока потребления, возникающего после попадания тяжелой заряженной частицы, за счет того, что уменьшается время нахождения защищаемой микросхемы в аварийной ситуации. В настоящее время наиболее частой причиной отказа аппаратуры космических аппаратов (КА) является попадание тяжелых заряженных частиц в электронную аппаратуру КА.
Защищаемыми микросхемами являются:
- микропроцессоры;
- микроконтроллеры;
- микросхемы оперативной памяти;
- микросхемы постоянной памяти;
- микросхемы АЦП и ЦАП и т.д.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для защиты интегральных микросхем при попадании в них тяжелых заряженных частиц, содержащее датчик тока, первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства, второй вывод - со входом электронного переключателя, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, первый и второй выводы датчика тока соединены также соответственно с первым и вторым входами усилителя сигналов датчика тока, первый выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора напряжения, выход которого соединен с R-входом RS-триггера, первый выход которого соединен с управляющим входом электронного переключателя, введены мощный n-p-n транзистор, база которого подключена ко второму выходу RS-триггера, эмиттер - к общей шине, а коллектор соединен с выходной клеммой устройства, генератор импульсной последовательности с большой скважностью, выход которого подключен к S-входу RS-триггера, при этом усилитель сигналов датчика тока выполнен содержащим первый и второй транзисторы, первый, второй, третий и четвертый резисторы, конденсатор, а также первый и второй резистивные делители, состоящие соответственно из последовательно включенных пятого и шестого резисторов и седьмого и восьмого резисторов, при этом первый резистивный делитель включен между первым входом усилителя сигналов датчика тока и общей шиной, второй резистивный делитель - между вторым входом усилителя сигналов датчика тока и общей шиной, базы первого и второго транзисторов подключены соответственно к средним точкам первого и второго резистивных делителей, первый резистор подключен между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй - между эмиттером второго транзистора и общей шиной, третий резистор подключен между коллектором первого транзистора и входом питания усилителя сигналов датчиков тока, который также через четвертый резистор соединен с коллектором второго транзистора, между эмиттерами первого и второго транзисторов включен конденсатор, коллекторы первого и второго транзисторов соединены соответственно со вторым и с первым выходами усилителя сигналов датчика тока, вход питания усилителя сигналов датчика тока соединен с входной клеммой устройства, а второй выход - с инвертирующим входом компаратора, при этом RS-триггер выполнен имеющим приоритет по сигналам воздействия на R-вход.
RS-триггер состоит из первого, второго и третьего p-n-p транзисторов, эмиттеры которых соединены с шиной питания и первого, второго и третьего n-p-n транзисторов, эмиттеры которых соединены с общей шиной, причем между базой и эмиттером каждого из упомянутых транзисторов включены соответственно 1-ый - 6-ой резисторы тепловой утечки, база первого n-p-n транзистора через девятый резистор соединена с R-входом триггера, коллекторы первого и второго n-p-n транзисторов соединены с катодами первого, второго и третьего диодов, анод первого диода через десятый резистор соединен с базой первого p-n-p транзистора, анод второго диода через одиннадцатый резистор соединен с базой второго p-n-p транзистора, анод третьего диода через двенадцатый резистор соединен с базой третьего p-n-p транзистора, коллектор первого p-n-p транзистора через тринадцатый резистор соединен с коллектором третьего n-p-n транзистора, коллектор третьего p-n-p транзистора соединен с первым выходом триггера, коллектор второго p-n-p транзистора через четырнадцатый резистор соединен со вторым выходом триггера, база третьего n-p-n транзистора через пятнадцатый резистор соединена с входом S триггера, первый выход триггера через шестнадцатый резистор соединен с общей шиной, второй выход триггера через семнадцатый резистор соединен с общей шиной, коллектор второго n-p-n транзистора через восемнадцатый резистор соединен с шиной питания.
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлена электрическая схема устройства для защиты интегральных микросхем при попадании в них тяжелых заряженных частиц.
Это устройство содержит датчик 1 тока, первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства и с первым входом усилителя 2 сигналов датчика тока, а второй вывод - со вторым входом усилителя 2 сигналов датчика тока и со входом электронного переключателя 3, выход которого соединен с выходом устройства. Первый и второй выходы усилителя 2 сигналов датчика тока соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами компаратора 4 напряжения, выход которого соединен с R-входом RS-триггера 5, первый выход которого соединен с управляющим входом электронного переключателя 3. Второй выход триггера 5 соединен с базой мощного n-p-n транзистора 6, эмиттер которого подключен к общей шине, а коллектор соединен с выходом электронного переключателя 3. S-вход триггера 5 соединен с выходом генератора 7 импульсной последовательности с большой скважностью импульсов. Усилитель 2 сигналов датчика тока содержит последовательно соединенные резисторы 8 и 9, образующие первый резистивный делитель, включенный между первым входом усилителя и общей шиной, а средняя точка этого делителя подключена к базе транзистора 10. Между вторым входом усилителя и общей шиной включен второй резистивный делитель, состоящий из последовательно включенных резисторов 11 и 12, средней точкой подключенный к базе транзистора 13. Коллекторы транзисторов 10 и 13 соединены соответственно со вторым и первым выходами усилителя 2 сигналов датчика тока. Резистор 14 включен между коллектором транзистора 10 и входом питания усилителя сигналов датчика тока, резистор 15 - между коллектором транзистора 13 и шиной питания. Эмиттер транзистора 13 подключен к общей шине через резистор 16, эмиттер транзистора 10 - через резистор 17. Между эмиттерами этих транзисторов включен конденсатор 18.
На чертеже Фиг.2 представлена электрическая схема RS-триггера, входящего в состав устройства защиты, показанного на чертеже Фиг.1 Клемма питания RS-триггера соединена с входной клеммой. RS-триггер состоит из транзисторов 19, 20 и 21 структуры p-n-p, эмиттеры которых соединены с шиной питания, и транзисторов 22, 23 и 24 структуры n-p-n, эмиттеры которых соединены с общей шиной. Между базой и эмиттером транзисторов 19, 20 и 21 включены соответственно резисторы 25, 26 и 27 тепловой утечки. Между базой и эмиттером транзисторов 22, 23, 24 включены соответственно резисторы 28, 29, 30 тепловой утечки. Между входом R и базой транзистора 22 включен резистор 31. Между входом S и базой транзистора 24 включен резистор 32. Между шиной питания и соединенными коллекторами транзисторами 22, 23 подключен резистор нагрузки 33. Катоды диодов 34, 35 и 36 соединены с коллектором транзистора 23. Резистор 37 подключен между анодом диода 34 и базой транзистора 19. Резистор 38 подключен между анодом диода 35 и базой транзистора 20. Резистор 39 подключен между анодом диода 36 и базой транзистора 21. База транзистора 23 соединена с коллектором транзистора 24. Резистор 40 включен между коллекторами транзисторов 24 и 19. Коллектор транзистора 21 соединен с выходом 1. Резистор 41 подключен между коллектором транзистора 21 и общей шиной. Резистор 42 подключен между коллектором транзистора 20 и выходом 2. Резистор 43 подключен между выходом 2 и общей шиной.
Рассмотрим состояние устройства защиты в отсутствии воздействия тяжелых заряженных частиц при поданном входном напряжении. При этом к выходу устройства защиты (см. фиг.1) по входу питания подключена защищаемая внешняя микросхема, а также фильтрующий конденсатор, подключенный к тем же выводам питания. При поданном входном напряжении начинает работать импульсный генератор 7, на выходе которого формируются положительные импульсы, следующие с большой скважностью. При частоте повторения один герц, длительность импульсов составляет одну микросекунду. Эти импульсы поступают на триггер 5 и вызывают открывание транзистора 24 (см. фиг.2) Транзисторы 23, 19, 20, 21 остаются закрытыми. Триггер 5 принимает первое устойчивое состояние, при котором транзистор 3 оказывается открыт и насыщен. Ток, открывающий этот транзистор, проходит по цепи: входной источник питания - участок эмиттер база транзистора 3 - резистор 41 - общая шина. Транзистор 6 закрыт, т.к. напряжение и ток в цепи его базы равны нулю. Напряжение на выходе устройства защиты равно напряжению на его входе за вычетом падения на открытом транзисторе 3. Транзисторы 10 и 13 открыты и находятся в линейной области. Такой режим обеспечивается выбором номиналов резисторов 8, 9, 11, 12, 17, 16, 15 и 14. Напряжение на коллекторе транзистора 10 превышает напряжение на коллекторе транзистора 13. Напряжение на выходе компаратора 4 близко к нулевому значению. Защищаемая микросхема, подключенная к выходу рассматриваемого устройства, функционирует нормально.
Теперь рассмотрим работу устройства защиты в аварийной ситуации. При попадании в защищаемую микросхему тяжелой заряженной частицы происходит срабатывание тиристорного эффекта, что приводит к нарастанию тока потребления и к дальнейшему разрушению микросхемы. Нарастание тока регистрируется на датчике 1 и далее приводит к выключению транзистора 3 и включению шунтирующего транзистора 6. Таким образом, предотвращается выход из строя защищаемой микросхемы. Рассмотрим этот процесс более подробно. Увеличение падения напряжения на датчике 1 приводит к нарастанию тока через транзистор 10 и уменьшению тока через транзистор 13 и к снижению напряжения на коллекторе транзистора 10 и далее к увеличению напряжения на коллекторе транзистора 13. Отрицательный импульс напряжения от эмиттера транзистора 13 через конденсатор 18 передается на эмиттер транзистора 10 и способствует открыванию последнего. С другой стороны, ток эмиттера транзистора 10 в рассматриваемый момент времени складывается из тока, определяемого резистором 17, и тока ветви, образованной из конденсатора 18 и резистора 16, что способствует открыванию транзистора 10. Благодаря наличию конденсатора 18 из тока, проходящего по датчику 1, исключается составляющая, обусловленная накопленной суммарной дозой радиационного воздействия. Объясняется это тем, что последняя составляющая имеет весьма монотонный характер нарастания и благодаря наличию конденсатора 18 не передается через усилитель 2 на вход компаратора 4. Напряжение на выходе компаратора 4 возрастает. Это вызывает открывание транзисторов 22, 19, 23, 20, 21 и к переключение триггера 5 во второе устойчивое состояние. Все это приводит к закрыванию транзистора 3 и открыванию транзистора 6, что обеспечивает отключение питания от защищаемой микросхемы и быстрый разряд конденсатора, расположенного на выводах питания этой микросхемы. Ток, открывающий транзистор 6, проходит по цепи: входной источник питания - участок эмиттер коллектор транзистора 20 - резистор 42 - участок база эмиттер транзистора 6 - общая шина. Таким образом, реализуется защита микросхемы, подключаемой к выходу рассматриваемого устройства, при попадании в нее тяжелых заряженных частиц. В рассматриваемой аварийной ситуации от генератора 7 на вход S триггера 5 продолжают поступать кратковременные импульсы с большим периодом повторения. Эти импульсы стремятся перевести триггер 5 в первое устойчивое состояние. При этом возможны два варианта поведения устройства защиты. Если одновременно на вход R поступает напряжение высокого уровня, которое имеет приоритет перед сигналами, поступающими на вход S, то триггер 5 принимает второе устойчивое состояние, соответствующее состоянию защиты. Если же активные сигналы на входе R отсутствуют, то триггер 5 принимает первое устойчивое состояние за счет импульсов, поступающих на вход S, что соответствует рабочему режиму.
В рассматриваемом устройстве защиты использованы только биполярные транзисторы и не используются полевые транзисторы с изолированным затвором, поскольку последние существенно уступают биполярным в части устойчивости к накопленной дозе радиационного воздействия (отчет Института космических исследований Российской академии наук «Локальная радиационная защита ЭРИ» Москва 2002 г). Уменьшение максимальной амплитуды тока, протекающего через защищаемую микросхему при попадании в нее тяжелой заряженной частицы, достигается за счет снижения порога срабатывания устройства защиты, которое оказывается возможным благодаря тому, что в предложенном устройстве защиты исключается составляющая тока, обусловленная монотонным увеличением тока потребления на 40%, за счет суммарной поглощенной дозы радиационного воздействия космического пространства, либо радиационного воздействия другого рода. Это позволяет уменьшить разрушающее воздействие на защищаемую микросхему.
В предложенном устройстве защиты исключение монотонной составляющей оказалось возможным благодаря наличию в усилителе сигналов датчика тока конденсатора 18. Этот конденсатор обеспечивает прохождение через усилитель только импульсных сигналов и препятствует прохождению монотонных сигналов. Кроме того, такая структура усилителя способствует подавлению синфазных помех, поступающих от датчика тока 1 в виде пульсаций от источника питания. Поскольку в предложенном устройстве защиты срабатывание защиты происходит при меньшем значении тока в аварийной ситуации, постольку и время пребывания защищаемой микросхемы в аварийной ситуации существенно сокращается. Это позволяет уменьшить разрушающее воздействие на защищаемую микросхему. Кроме того, в настоящем изобретении уменьшено время пребывания защищаемой микросхемы в аварийной ситуации, обусловленное временем разряда конденсатора, подключенного к выводам защищаемой микросхемы за счет действия разряжающего транзистора 6.
Следует отметить, что рассматриваемое устройство реализует также защиту от электромагнитного импульса (ЭМИ), потока протонов, потока электронов.
Предложенное устройство защиты используется в проектируемой интегральной микросхеме защиты.
Использование предложенного устройства защиты позволит существенно повысить надежность защищаемой микросхемы при попадании в нее тяжелых заряженных частиц.
1. Устройство для защиты интегральных микросхем при попадании в них тяжелых заряженных частиц, содержащее датчик тока, первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства, второй вывод - со входом электронного переключателя, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, первый и второй выводы датчика тока соединены также соответственно с первым и вторым входами усилителя сигналов датчика тока, первый выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора напряжения, выход которого соединен с R-входом RS-триггера, первый выход которого соединен с управляющим входом электронного переключателя, отличающееся тем, что в него введены мощный n-p-n транзистор, база которого подключена ко второму выходу RS-триггера, эмиттер - к общей шине, а коллектор соединен с выходной клеммой устройства, генератор импульсной последовательности с большой скважностью, выход которого подключен к S-входу RS-триггера, при этом усилитель сигналов датчика тока выполнен содержащим первый и второй транзисторы, первый, второй, третий и четвертый резисторы, конденсатор, а также первый и второй резистивные делители, состоящие соответственно из последовательно включенных пятого и шестого резисторов и седьмого и восьмого резисторов, при этом первый резистивный делитель включен между первым входом усилителя, сигналов датчика тока и общей шиной, второй резистивный делитель - между вторым входом усилителя сигналов датчика тока и общей шиной, базы первого и второго транзисторов подключены соответственно к средним точкам первого и второго резистивных делителей, первый резистор подключен между эмиттером первого транзистора и общей шиной, второй - между эмиттером второго транзистора и общей шиной, третий резистор подключен между коллектором первого транзистора и входом питания усилителя сигналов датчика тока, который также через четвертый резистор соединен с коллектором второго транзистора, между эмиттерами первого и второго транзисторов включен конденсатор, коллекторы первого и второго транзисторов соединены соответственно со вторым и первым выходами усилителя сигналов датчика тока, вход питания усилителя сигналов датчика тока соединен с входной клеммой устройства, а второй выход - с инвертирующим входом компаратора, при этом RS-триггер выполнен имеющим приоритет по сигналам воздействия на R-вход.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что RS-тригтер состоит из первого, второго и третьего p-n-p транзисторов, эмиттеры которых соединены с шиной питания, первого, второго и третьего n-p-n транзисторов, эмиттеры которых соединены с общей шиной, причем между базой и эмиттером каждого из упомянутых транзисторов включены соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы тепловой утечки, база первого n-p-n транзистора через девятый резистор соединена со входом R триггера, коллекторы первого и второго n-p-n транзисторов соединены с катодами первого, второго и третьего диодов, анод первого диода через десятый резистор соединен с базой первого p-n-p транзистора, анод второго диода через одиннадцатый резистор соединен с базой второго p-n-p транзистора, анод третьего диода через двенадцатый резистор соединен с базой третьего p-n-p транзистора, коллектор первого p-n-p транзистора через тринадцатый резистор соединен с коллектором третьего n-p-n транзистора, коллектор третьего p-n-p транзистора соединен с первым выходом триггера, коллектор второго p-n-p транзистора через четырнадцатый резистор соединен со вторым выходом триггера, база третьего n-p-n транзистора через пятнадцатый резистор соединена с входом S триггера, первый выход триггера через шестнадцатый резистор соединен с общей шиной, второй выход триггера через семнадцатый резистор соединен с общей шиной, коллектор второго n-p-n транзистора через восемнадцатый резистор соединен с шиной питания.
