Современные ИС Texas Instruments для космических приложений

Компания Texas Instruments (Даллас, США) является одним из крупнейших мировых разработчиков и производителей аналоговых и цифровых микросхем. Компания поддерживает русско-язычный портал и располагает широкой сетью дистрибьюторов своей продукции в России [1].

Свою историю компания ведёт с 1930 г., когда группа инженеров (Юджин МакДермонт, Сесил Грин, Джон Джонссон, Генри Пикок) из компании Geophysical Service (GSI) занялась исследованиями методов обработки отражённых сейсмических волн для обнаружения нефтяных пластов (в 1941 г. основатели выкупили GSI за $275 тыс.).

После начала Второй мировой войны компания получила контракт на разработку аппаратуры для обнаружения подводных лодок. В 1945 г. в компанию был принят Патрик Хаггерти из бюро закупок военно-морских сил США, после чего производство радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для военных целей стало одним из основных видов деятельности компании (оборот GSI в 1950 г. составил $7,6 млн, а число сотрудников достигло 1128).

В 1951 г. компания сменила название на Texas Instruments (TI), а в мае 1952 г. стала одним из покупателей лицензии на производство германиевых транзисторов у фирмы Western Electric.

Значительных успехов в производстве транзисторов компания добилась после принятия в 1952 г. на работу Гордона Тила (Gordon Kidd Teal, 1907–2003 гг.) из компании Bell Laboratories. Гордон Тил известен созданием технологии выращивания кристаллов германия для изготовления транзисторов, впервые в мире созданных группой Уильяма Шокли из Bell Laboratories.

Первые экземпляры точечных транзисторов (Type 100, Type 101) TI продемонстрировала уже в августе 1952 г., однако в массовое производство они не пошли. Транзисторы Type 102 (см. рис. 1) и Type 103 с улучшенными параметрами в герметичных корпусах были представлены в сентябре 1953 г. В 1954 г. в таких же корпусах были выпущены и первые плоскостные n-p-n-транзисторы Type200, Type201, обладающие высокой надёжностью и большой мощностью рассеивания. Одними из первых приборов, в которых были применены транзисторы TI, были слуховые аппараты Sonotone 1111 (см. рис. 2), для производства которых фирма Sonotone сделала заказ на 7500 транзисторов TI (Type 204, Type 205).

Первые германиевые транзисторы компании были маломощными и низкочастотными, что существенно ограничивало их применение, особенно в такой перспективной сфере, как портативные радиоприёмники. Однако уже в 1954 г. в компании были созданы высокочастотные транзисторы Type 222 (УПЧ) и Type 223 (гетеродин), нашедшие применение в прототипе радиоприёмника Regency TR-1.

Мощные (12 Вт) сплавные германиевые транзисторы Type 356 (2N250) Type 356A (2N251) были запущены в производство в 1956 г. Приборы нашли применение в автомобильных радиоприёмниках.

Для разработки кремниевых транзисторов в компании была создана специальная группа (Silicon Transistor Team). Первые коммерческие кремниевые транзисторы серии 900 были выпущены в 1956 г. Тогда же были выпущены и версии транзисторов для ВМФ США – USN 2N117 (Type 903) и USN 2N118 (Type 904), предназначенные для жёстких условий эксплуатации (см. рис. 3) [2].

В сентябре 1958 г. сотрудник TI Джек Килби (Jack St. Clair Kilby, 1923–2005 гг.) продемонстрировал первую действующую микросхему. Последствия этого события оказались столь значительными, что через 42 года Килби получил Нобелевскую премию.

Первая микросхема Килби представляла собой полоску германия размерами 10 × 1,6 мм, на которой сформированы элементы автогенератора колебаний – меза-транзистор, конденсатор на p-n-переходе и объёмный резистор (часть германиевой пластины).

Уже в 1960 г. компания выпустила ряд логических микросхем в керамических позолоченных корпусах, предназначенных для жёстких условий эксплуатации – SN511A (триггер), SN515A (схема ИЛИ, см. рис. 4), SN393A, SN394A, SN395A, SN366A и другие. Микросхемы высокой надёжности с успехом применялись в аппаратуре космических аппаратов Аполлон лунной программы НАСА. Например, микросхема SN7401 (аналог 133ЛА8) 1967 г. выпуска предназначена для военных и космических приложений (SN 7401 Gold IC Space Race Stuff).

В каталоге компании 2017 г. представлена широкая номенклатура микросхем высокой надёжности в трёх категориях продуктов: космического назначения (Space), усовершенствованные продукты (Enhanced Products), продукты класса QML Class Q (военный стандарт MIL-PRF-38535) и высокотемпературные (QML & High Temperature) [3].

Как правило, микросхемы высокой надёжности являются аналогами соответствующих микросхем промышленного назначения и отличаются только эксплуатационными параметрами, такими как диапазон рабочих температур, вибростойкость, ударопрочность, радиационная стойкость и срок службы.

Микросхемы космического назначения

Основным отличительным признаком приборов данной категории является высокая радиационная стойкость (Radiation Tolerance), подтверждаемая соответствующими испытаниями. Особенности работы полупроводниковых приборов на большой высоте и в космосе приведены в [4].

Микросхемы космического назначения выпускаются в керамических позолоченных корпусах, обеспечивающих защиту от электромагнитных полей и внешних воздействий на кристалл. В данную категорию продуктов входят следующие группы микросхем:

Усовершенствованные продукты

Микросхемы данной категории содержат в названии окончание EP (Enhanced Products), являются аналогами микросхем промышленного назначения и выпускаются в пластиковых корпусах. Номенклатура микросхем этой категории в каталоге компании 2017 г. насчитывает сотни типов самого различного назначения и различающихся диапазонами рабочих температур (от –55…0°С до +70…+125°С) [5].

Продукты класса QML Class Q и высокотемпературные

В данную категорию включены микросхемы с максимальной рабочей температурой до 210°С, с длительным сроком службы и высокой надёжностью, определяемой военными стандартами. Микросхемы этой категории представлены практически во всех видах продуктов TI. Для их поиска на сайте компании имеется руководство процессом выбора высоконадёжных продуктов Texas Instruments Military and HiRel Products, Nomenclature and Process Flow [6].

Преобразователи данных космического назначения

Классификационные параметры микросхем преобразователей данных космического назначения с высокой радиационной стойкостью из каталога TI 2017 г. приведены в таблице. 

Рассмотрим некоторые современные микросхемы этой группы более подробно (в скобках приведены даты выпуска последних редакций спецификаций).

ADC10D1000QML-SP (декабрь 2016 г.) – одно из последних достижений компании в области сверхбыстродействующих АЦП. Микросхема выполнена в керамическом корпусе с матрицей столбиковых выводов – CCGA (Ceramic Column Grid Array). Функциональный аналог в промышленном исполнении – ADC10D1000 в корпусе BGA. Фрагмент габаритного чертежа микросхемы ADC10D1000MQL-SP в корпусе CCGA-376 приведён на рисунке 5, а структура прибора – на рисунке 6 (другое название корпуса – CPGA, Ceramic Pin Grid Array). Основные области применения микросхемы:

При относительно малом энергопотреблении (2,9 Вт) микросхема обеспечивает высокие динамический диапазон с быстродействием 1 Гвыборок/с в двухканальном режиме и 2 Гвыборок/с в одноканальном режиме.

Основные параметры и характеристики микросхемы:

ADC128S102QML-SP (август 2016 г.) – 8-входовый 12-разрядный АЦП. На рисунке 8 приведена структура микросхемы.

Прибор выполнен в керамическом корпусе SOIC-16 и обеспечивает такие же характеристики радиационной стойкости, что и уже описанная микросхема ADC10D1000QML-SP. Микросхема ADC128S102QML-SP отличается малой потребляемой мощностью – 2,3 мВт при U_пит = 3 В и 10,7 мВт при U_пит = 5 В, скорость преобразования 50–1000 киловыборок/с. Управление микросхемой осуществляется через интерфейсы SPI, QSPI, MICRWIRE, обеспечивается совместимость с большинством цифровых сигнальных процессоров. Области применения микросхемы:

ADS1282-SP (декабрь 2016 г.) – радиационно-стойкий сигма-дельта АЦП высокого разрешения с двумя дифференциальными входам, выполненный в керамическом корпусе CFP-29.

Основные области применения микросхемы:

Микросхема отличается высокой чувствительностью за счёт применения малошумящего входного усилителя с программируемым усилением (PGA). Структура микросхемы приведена на рисунке 9. Прибор квалифицирован по военному стандарту QMLV (QML Class V) MIL-PRF38535 в части радиационной стойкости и диапазона рабочих температур (–55…+125°С).

Основные параметры и характеристики прибора:

DAC121S101QML-SP (июль 2016 г.) – 12-разрядный микромощный ЦАП с выходом Rail-to-Rail, выполненный в керамическом корпусе SOIC-10. Структура микросхемы приведена на рисунке 10.

Области применения микросхемы:

Прибор обеспечивает такие же параметры радиационной стойкости и диапазон рабочих температур, как и рассмотренный АЦП ADC10D100QML-SP. Основные особенности и параметры микросхемы:

DAC5675A-SP (август 2016 г.) – 14-разрядный радиационно-стойкий ЦАП с производительностью 400 М выборок/с (Update Rate), выполненный в керамическом корпусе CQFP-52 (Ceramic Quad Flat Package, другое название – HFG-52). Прибор квалифицирован по тем же стандартам, что и DAC121S101QML-SP. Микросхема отличается малой потребляемой мощностью – 660 мВт при U_пит = 3,3 В и частоте выходного сигнала 70 МГц. Применённый в микросхеме низковольтный интерфейс LVDS отлично подходит для согласования с КМОП-микросхемами специального назначения (ASIC) и ПЛИС.

Основные области применения микросхемы:

Дифференциальные тактовые вход и выход микросхемы специально разработаны для согласования с изолирующими трансформаторами для подключения линий с волновым сопротивлением 50 Ом. На рисунке 11 показано типовое включение микросхемы.

Основные особенности и параметры ЦАП:

ADS5463-SP (2015 г.) – радиационно-стойкий 12-разрядный АЦП с быстродействием 500 Мвыборок/с, выполненный в керамическом корпусе CFP-84. Структура микросхемы приведена на рисунке 12.

Основные области применения микросхемы:

АЦП содержит LVDS-совместимый цифровой выход (при напряжении питания 5 В или 3,3 В). Основные особенности и параметры микросхемы:

LM98640QML-SP (2015 г.) – сдвоенный 14-разрядный радиационно-стойкий аналоговый входной блок Front End с LVDS-выходом, выполненный в керамическом корпусе CQFP-64. Структура микросхемы приведена на рисунке 13.

Прибор с производительностью 5–40 Мвыборок/с ориентирован на приложения, связанные с обработкой изображений при космической съёмке.

Основные области применения микросхемы:

Микросхема рассчитана на работу с датчиками изображения ПЗС и CIS (Contact Imaging Sensor), для чего содержит схемы выборки-хранения (УВХ) и двойной коррелированной выборки (ДКВ/CDS, Correlated Double Sampling). Обе схемы содержат усилители с программируемым усилением и устройства коррекции смещения ЦАП. Основные особенности и параметры микросхемы:

В заключение следует отметить, что микросхемы космического назначения с успехом могут быть использованы для всех приложений с жёсткими и особо жёсткими условиями эксплуатации.

Литература