Схемотехническое моделирование воздействия тяжелых заряженных частиц на переходные процессы в биполярных аналоговых микросхемах

Одним из факторов, вызывающих потерю работоспособности интегральных микросхем космических аппаратов, является воздействие тяжелых заряженных частиц. Попадание их в электронные устройства приводит к появлению одиночных переходных процессов (коротких токовых импульсов), которые в аналоговых микросхемах проявляются в искажении формы выходных сигналов, а в цифровых микросхемах могут вызвать одиночный сбой. В статье рассмотрена методика схемотехнического моделирования воздействия тяжелых заряженных частиц на биполярные аналоговые микросхемы, включающая разработанную эквивалентную электрическую схему биполярного транзистора для LTSpice и порядок проведения моделирования переходных процессов. Несмотря на принятые упрощения, а именно – отсутствие учета зависимости длительности фронта нарастания и спада генерируемого заряженной частицей токового импульса от параметров транзисторной структуры, на допущения о том, что весь заряд генерируется в активной базе и областях пространственного заряда эмиттерного и коллекторного переходов, – разработанная эквивалентная схема позволила определить, что форма коллекторного токового импульса схемы с общим эмиттером при воздействии тяжелой заряженной частицы определяется быстродействием транзистора и его режимом работы. С применением разработанной методики определены «критические» транзисторы двух изученных аналоговых микросхем, а также обоснована необходимость шунтирования токозадающих резисторов конденсатором небольшой емкости.

1. Perez, R. Methods for Spacecraft Avionics Protection Against Space Radiation in the Form of Single-Event Transients / R. Perez // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2008. Vol. 50, No 3. P. 455–465. http://dx.doi.org/10.1109/TEMC.2008.927735.

2. Perez, R. Analysis and Simulations of Space Radiation Induced Single Event Transients / R. Perez // 2016 ESA Workshop on Aerospace EMC. 2016. P. 1–6. http://dx.doi.org/10.1109/AeroEMC.2016.7504569.

3. Ловшенко, И. Ю. Моделирование воздействия тяжелой заряженной частицы на электрические характеристики приборной структуры n-МОП-транзистора / И. Ю. Ловшенко, В. Р. Стемпицкий, В. Т. Шандарович // Доклады БГУИР. 2020. Т. 18, №. 7. С. 55–62. http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-7-55-62.

4. Comparison of the Transient Current Shapes Obtained with the Diffusion Model and the Double Exponential Law – Impact on the SER / F. Wrobel [et al.] // 2013 14th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems. 2013. P. 1–4. http://dx.doi.org/10.1109/RADECS.2013.6937441.

5. Efficient Method for Estimating the Characteristics of Radiation-Induced Current Transients / W. G. Bennett [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2012. Vol. 59, No 6. P. 2704–2709. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2012.2218830.

6. The Effects of Temperature on the Single-Event Transient Response of a High-Voltage (>30 V) Complementary SiGe-on-SOI Technology / A. P. Omprakash [et al.] // in IEEE Transactions on Nuclear Science. 2019. Vol. 66, No 1. P. 389–396. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2018.2886577.

7. Single-Event Upset Mitigation in a Complementary SiGe HBT BiCMOS Technology / N. E. Lourenco [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2018. Vol. 65, No 1. P. 231–238. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2017.2778803.

8. Load Resistor as a Worst-Case Parameter to Investigate Single-Event Transients in Analog Electronic Devices / I. López-Calle [et al.] // Proceedings of the 8th Spanish Conference on Electron Devices, CDE’2011. 2011. P. 1–4. http://dx.doi.org/10.1109/SCED.2011.5744202.

9. An Electrostatic Discharge Protection Circuit Technique for the Mitigation of Single-Event Transients in SiGe BiCMOS Technology / M. K. Cho [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2018. Vol. 65, No 1. P. 426–431. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2017.2778946.

10. An Investigation of Single-Event Transients in C-SiGe HBT on SOI Current Mirror Circuits / S. Jung [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2014. Vol. 61, No 6. P. 3193–3200. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2014.2358207.

11. Modeling the Dependence of Single-Event Transients on Strike Location for Circuit-Level Simulation / L. Ding [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2019. Vol. 66, No 6. P. 866–874. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2019.2904716.

12. The Role of Negative Feedback Effects on Single-Event Transients in SiGe HBT Analog Circuits / J. Seungwoo [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2015. Vol. 62, No 6. P. 2599–2605. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2015.2498540.

13. Study of Single-Event Transients in High-Speed Operational Amplifiers / P. Jaulent [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2008. Vol. 55, No 4. P. 1974–1981. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2008.920265.

14. Circuit Modeling of the LM124 Operational Amplifier for Analog Single-Event Transient Analysis / Y. Boulghassoul [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2002. Vol. 49, No 6. P. 3090–3096. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2002.805400.

15. Liu, J. Simulations for Single Event Transient Effects in the LM124 Operational Amplifier / J. Liu // 2019 International Conference on Intelligent Computing, Automation and Systems. 2019. P. 552–555. http://dx.doi.org/10.1109/ICICAS48597.2019.00121.

16. Analysis of Two-Stage CMOS Op-Amp for Single-Event Transients / H. Langalia [et al.] // 2012 International Conference on Communication, Information & Computing Technology. 2012. P. 1–4. http://dx.doi.org/10.1109/ICCICT.2012.6398149.

17. Single-Event Transient Response of Comparator Pre-Amplifiers in a Complementary SiGe Technology / A. Ildefonso [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2017. Vol. 64, No 1. P. 89–96. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2016.2619582.

18. Modeling and Analysis of Analog Single Event Transients in an Amplifier Circuit / Y. Wang [et al.] // 2013 International Conference on Optoelectronics and Microelectronics. 2013. P. 94–97. http://dx.doi.org/10.1109/ICoOM.2013.6626499.

19. Simulations of Single Event Transient Effects in the LM139 Voltage Comparator / J. Liu [et al.] // 2014 10th International Conference on Reliability, Maintainability and Safety. 2014. P. 189–192. http://dx.doi.org/10.1109/ICRMS.2014.7107167.

20. Радиационно стойкие компоненты полузаказных аналоговых микросхем / О. В. Дворников [и др.] // Известия вузов. Электроника. 2022. Т. 27, № 3. С. 308–321. https://doi.org/10.24151/15615405-2022-27-3-308-321.

21. Схемотехническая модернизация операционных усилителей для увеличения скорости нарастания выходного напряжения / Я. Д. Галкин [и др.] // Доклады БГУИР. 2023. Т. 21, № 4. С. 46–53. http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2023-21-4-46-53.