СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №8/2014

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 82 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2014 Модуль на малошумящих полевых транзисторах для обработки сигналов лавинных фотодиодов На основе модернизированной аналоговой ИС для датчиков космической аппаратуры и малошумящих полевых транзисторов с p-n-переходом и каналом n-типа разработан электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов, содержащий зарядочувствительный усилитель и активный полосовой фильтр. Наименьший эквивалентный шумовой заряд модуля достигнут с транзистором типа KS363V и составляет 292 эл.+1,9 эл./пФ при времени пика 2,2 мкс. Приведены схемные решения и результаты измерений. Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов (г. Минск, Беларусь), Николай Прокопенко (г. Шахты, Россия) В ВЕДЕНИЕ Анализ параметров современных фотоприёмников показал, что во мно- гих случаях реализация оптико-элек- тронных устройств, регистрирую- щих десятки фотонов, целесообраз- на на основе лавинного фотодиода (ЛФД) и малошумящей считываю- щей электроники [1]. Ранее автора- ми статьи были разработаны и экспе- риментально исследованы электрон- ные модули CRP-MDL-1 и CRP-MDL-2, предназначенные для обработки сиг- налов ЛФД [2, 3] и использующие ана- логовую ИС для датчиков космической аппаратуры [4]. Анализ измерений выявил недоста- точно эффективную обработку сигна- лов ЛФД с большой внутренней ёмко- стью (C D ) из-за повышенного уровня шумов, который для зарядочувстви- тельного усилителя (ЗЧУ) характери- зуется зависимостью эквивалентно- го шумового заряда (ENC, Equivalent Noise Charge) от ёмкости, соединён- ной с входом. Под эквивалентным шумовым зарядом понимается вход- ной заряд, вызывающий на выходе системы сигнал, равный среднеква- дратическому значению напряжения шумов. Обычно величина ENC описы- вается среднеквадратическим значе- нием заряда, выраженным в количе- стве электронов (эл.). Изучение передовых изделий дан- ного класса показало, что предельно малый уровень шумов обычно дости- гается за счёт применения дискрет- ного малошумящего полевого тран- зистора с p-n-переходом и каналом n-типа (n-ПТП). В этом случае мини- мизация шума возможна за счёт ёмкостного согласования n-ПТП и ЛФД (желательно, чтобы входная ёмкость транзистора была равна ёмкости ЛФД) и охлаждения тран- зистора. Примером таких устройств являются гибридные ИС фирмы Amptek (США) [5–8]. Целью настоящей статьи является анализ схемы и параметров электрон- ного модуля обработки сигналов ЛФД, созданного на основе модернизирован- ной аналоговой ИС для датчиков кос- мической аппаратуры и малошумящих дискретных n-ПТП. О СОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ Для создания устройства обработ- ки сигналов ЛФД с предельно низким уровнем ENC были выполнены следу- ющие работы: ● модернизирована аналоговая ИС для датчиков космической аппара- туры [4], в которой операционные усилители (ОУ) U1A и U1B замене- ны на входной каскад CSP-Stage2 (см. рис. 1), а ОУ U2A, U2B и U2C, входящие в инструментальный усилитель, в новой ИС (см. рис. 2) выполнены в виде отдельных ком- понентов; ● разработана электрическая схема модуля (см. рис. 3), предусматриваю- щая возможность подключения дис- кретных транзисторов; ● исследованы характеристики модуля при использовании n-ПТП с различ- ной входной ёмкостью (см. таблицу). Структурная схема модернизиро- ванной ИС приведена на рисунке 2. Она содержит два входных каскада CSP-Stage2-1, CSP-Stage2-2, работаю- щих с внешним n-ПТП, два инверти- рующих усилителя напряжения U4A, U4B с головным малошумящим p-ПТП и токовым аттенюатором [4], три ОУ (U2A, U2B и U2C) с резистором 9,2 кОм в цепи отрицательной обратной свя- зи, и блоки U3B, U3C, задающие рабо- чий режим. При подключении к выводу IN бло- ка CSP-Stage2 стока внешнего n-ПТП, исток которого соединён с шиной нулевого потенциала, а затвор – с вхо- дом, и соединении выводов REF и ADD полученная схема представляет собой «перегнутый» каскод, в котором тран- зистор Q1 включён с общей базой, а усиление по напряжению опреде- ляется крутизной внешнего n-ПТП и суммарным сопротивлением всех параллельных цепей, соединённых с высокоимпедансным узлом – кол- лектором Q1. Канал обработки сигнала фотодиода, реализованный в электронном модуле (см. рис. 3), включает: ● ЗЧУ на CSP-Stage2-2, J 1 , C 2 , R 3 ; ● дифференцирующую цепь R 1 С 1 с «компенсацией полюса нулём» рези- стором R 2 ; ● последовательно соединённые актив- ные интеграторы: первый (C 6 , R 11 , U4A), второй (C 3 , R 5 , U2B), третий (C 4 , R 7 , U2A) и четвертый (C 5 , R 8 , U2C). Таким образом, канал обработки образуют последовательно соединён- ные ЗЧУ и активный полосовой фильтр типа CR-RC 4 . Рис. 1. Электрическая схема входного каскада CSP-Stage2 микросхемы © СТА-ПРЕСС