Учебное пособие 1612

УДК 621.3

К.С. Пахунова, А.В. Арсентьев

РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА В ГАЗОАНАЛИЗАТОРЕ

Мостовые схемы Уитстона являются универсальными методами измерения сопротивлений для различных резистивных датчиков. Для регистрации показаний газового датчика с сопротивлением порядка 100 кОм - 1 МОм подходит четверть-мостовая конфигурация моста Уитстона. Целью работы является разработка и моделирование высокоточной схемы измерения сопротивления чувствительного элемента газоанализатора.

В ходе работы были проведены литературный обзор и моделирование электрических схем измерения параметров резистивного датчика.

Четверть-мостовая схема Уитстона является достаточно точным методом измерения электрических характеристик в идеализированных условиях, однако зависимость выхода моста с изменением электрических параметров чувствительного элемента датчика является нелинейной, и в реальности датчики подвержены влиянию внешних шумов, различных помех и погрешностей, что негативно сказывается на достоверности показаний. Поэтому оптимальным вариантом повышения точности и достоверности показаний моста является включение в схему операционного усилителя (ОУ), а именного дифференциального усилителя. Однако применение ОУ требует тщательного подбора элементов готовой схемы (управляющих резисторов и самого ОУ).

Разновидностью дифференциального усилителя, но с улучшенными параметрами, является инструментальный усилитель, которой представляет собой двухкаскадный усилитель.

50

УДК 621.3

К.А. Злотникова, А.В. Арсентьев

РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ШАБЛОНОВ ТЕСТОВЫХ СТРУКТУР

В настоящие время развитие многих отраслей промышленности характеризует автоматизация, это в свою очередь, повышает потребность к созданию новых датчиков. Для дальнейшего исследования потребуется разработка такого тестового элемента, который при внесении в газовую среду может выступать как газочувствительный элемент.

Топология тестового элемента полевого транзистора 2×2 мм2 (а) со встречно-штыревой структурой состоит из двух электродов 200×200 мкм, имеющих форму квадрата, которые являются стоком и истоком транзистора с нижним расположением затвора, и могут использоваться как газочувствительный элемент, а также гребешков с периодически расположенными длинными узкими штырями. Штыревые электроды вставлены друг в друга "навстречу" так, что штыри не касаются и расстояние между ними 10×10 мкм (б), они образуют периодическую структуру, которая создается в топологическом редакторе L-Edit.

51

УДК 621.3

А.С. Лизункова, А.В. Арсентьев

РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ШАБЛОНОВ ДЛЯ СЕНСОРНОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ГАЗОВ

Датчик газов относится к области приборостроения и используется для улучшения важных метрологических характеристик

– снижения рабочей температуры максимальной газочувствительности и потребляемой мощности полупроводниковых датчиков газов на основе оксидов металлов.

Топология шаблона кристалла для сенсорного элемента датчика газов с нагревателем 2×2 мм2 (а) со встречно-штыревой структурой состоит из двух электродов 200×200 мкм, имеющих форму квадрата (сток и исток транзистора с нижним расположением затвора), а также из гребешков с периодически расположенными длинными узкими штырями. Такой кристалл может использоваться как газочувствительный элемент. Расстояние между штыревыми электродами составляет 20×20 мкм (б).

Шаблон кристалла для сенсорного элемента датчика газов создается в топологическом редакторе L-Edit.

52

УДК 621.391

И.Ю. Лавренко

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КИХ-ФИЛЬТРОВ НА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ АРИФМЕТИКЕ ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

В БАЗИСЕ ПЛИС ALTERA

Работа посвящена проектированию последовательного КИХ фильтра на 4 отвода с использованием мегафункций в САПР

Quartus II 9.1sp2 Web Edition.

Распределенная арифметика широко используется при проектировании высокопроизводительных КИХ-фильтров.

Вкачестве простейшего примера рассмотрим вариант проектирования последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода: y=C0·x0+ C1·x1+ C2·x2+ C3·x4 с использованием мегафункций САПР ПЛИС Quartus II 9.1sp2 Web Edition компании Altera.

Последовательный КИХ-фильтр состоит из четырех регистров соединенных последовательно, которые формируют линию задержки сигнала, выход каждого регистра соединен с входами умножителя с накоплением. На каждый вход регистра подается синхроимпульс. В умножителях входной сигнала умножается на коэффициенты фильтра, так как к другому входу умножителей подключены ячейки памяти, на выходе которых появляются значения коэффициента фильтра. Для того чтобы задать коэффициенты фильтра, нужно в меню мегафункции ячейки памяти задать число в двоичном коде.

Вданной работе были получены навыки проектирования последовательного КИХ фильтра на 4 отвода с использованием ме-

гафункций в САПР Quartus II 9.1sp2 Web Edition и FIR compiler.

Были рассчитаны коэффициенты реального КИХ фильтра на 4 отвода при помощи мегафункции FIR compiler. На примере проектирования КИХ-фильтра на 4 отвода рассмотрены основы распределенной арифметики широко используемой для разработки высокопроизводительных цифровых устройств цифровой обработки сигналов.

53

УДК 538.975

С.А. Акулинин, В.С. Галкин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ АДАПТЕРА ВЫДЫХАЕМОГО ЧЕЛОВЕКОМ ВОЗДУХА

В последнее десятилетие в медицине возросло применение приборов для анализа выдыхаемого воздуха. Измерение окиси азота (NO) в настоящее время является хорошо известным методом оценки воспаления дыхательных путей. Данный метод позволяет обнаружить повышенный уровень NO в выдыхаемом воздухе и помогает диагностировать такие заболевания, как астма.

Целью данной работы является проектирование модуля адаптера выдыхаемого человеком воздуха, который предназначен для осушки воздуха от влаги и дальнейшей его транспортировки в модуль газоанализа.

Основной частью модуля адаптера является мундштук, который служит для забора выдыхаемого воздуха. Мундштук имеет разборную конструкцию, что делает возможным замену осушителясорбента для возвращения его сорбционных свойств. В качестве осушителя использовался силикагель.

Была построена 3D модель мундштука с помощью системы автоматизированного проектирования компас – 3D. На основе 3D модели распечатан на 3D принтере макет разборного мундштука.

Проведены лабораторные измерения по осушке выдыхаемого воздуха. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что адсорбционных свойств силикагеля хватает на 2 выдоха. В опыте № 1 пиковая концентрация влажности выдыхаемого воздуха составила 56 %. В опыте № 2 пиковая концентрация влажности выдыхаемого воздуха составила 61 %. Тогда как в опытах № 3 – 5 соответственно 70, 75 и 83 %, что неприемлемо для дальнейшего газоанализа.

54

УДК 538.975

Е.А. Жулькова

РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ОКИСИ АЗОТА В ВЫДЫХАЕМОМ ЧЕЛОВЕКОМ ВОЗДУХЕ

Печатная плата (ПП) является неотъемлемой частью любого электронного изделия. ПП представляет собой конструкцию электрических межсоединений на изоляционной подложке, поэтому основными элементами ПП являются ее основание и электронные компоненты.

Целью данной работы является разработка ПП для аналоговой части газоанализатора окиси азота в выдыхаемом человеком воздухе. Для разработки ПП для начала необходимо выполнить ее проектирование. Для этого выбирается и используется специализированная программа автоматизированного проектирования (САПР). Для разработки ПП газоанализатора окиси азота выбрана программа DipTrace, в ко торой была нарисована принципиальная электрическая схема датчика и преобразована в ПП.

В редакторе PCB Layot необходимо правильно расположить элементы схемы, чтобы их электрические связи не пересекались, и далее произвести трассировку платы.

Для непосредственного изготовления ПП выбрана технология ЛУТ, которая позволяет изготавливать ПП в домашних условиях без использования специального оборудования. Суть метода заключается в переносе рисунка макета ПП на глянцевую бумагу и затем на стеклотекстолитовую подложку при помощи лазерного принтера и утюга. После этого необходимо протравить плату, тем самым удаляя ненужный слой меди. Затем при помощи ацетона необходимо убрать тонер, который остался на непротравленном рисунке. Потом необходимо просверлить отверстия мини-дрелью для электронных компонентов и припаять их. На этом этапе заканчивается изготовление ПП и её необходимо проверить на работоспособность и в дальнейшем использовать по назначению.

55

УДК 621.382.323

Е.И. Мещерякова, А.В. Арсентьев

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЗАТВОРНОГО ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ САПР

Электронная промышленность постоянно стремится к уменьшению размеров транзисторов, чтобы увеличить их количество на одном кристалле и сделать ее дешевле. Благодаря этому получаем ряд преимуществ, таких как уменьшенная энергоемкость и более быстрые операции переключения. Однако, дойдя до нанометровых размеров полевого транзистора, возникает проблема, связанная с эффектом короткого канала и потерей контроля затвора над ним. Устранить негативные эффекты можно как путем увеличения концентрации легирования в канале, так и увеличением емкости затвора, или же применив технические решения, например, проектирование размеров самого затвора и канала в данной структуре. Так же проблему эффекта короткого канала уменьшают многозатворные МОП - транзисторы. Структуры как с двумя, так и с тремя затворами, демонстрируют не только снижение эффекта короткого канала, но и улучшение тока возбуждения и проводимости по сравнению с однозатворной МОП - структурой.

Целью данной работы является разработка и моделирование в технологическом САПР многозатворного полевого транзистора, его изучение и анализ работоспособности.

Проводится моделирование конструкции многозатворного транзистора с различной конфигурацией затворов в технологическом САПР, что позволяет на основании полученных электрических параметров проанализировать ее преимущества и недостатки.

56

УДК 621.382

Я.А. Смулка, А.А. Винокуров

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОТЕРМОТРЕНИРОВКИ

Технологические тренировки – основное средство выявления интегральных схем (ИС), содержащих скрытые дефекты, на этапе приработки. Наиболее распространенным методом является электротермотренировка (ЭТТ).

Вто же время партии ИС могут содержать схемы, которые после окончания тренировок сохраняют свои параметры в пределах установленных норм, но содержащиеся в них скрытые дефекты могут привести к преждевременному отказу.

Для выявления потенциально ненадежных схем измеряют информативные параметры. Это электрические параметры, значения которых характеризуют наличие определенных видов дефектов

вструктуре ИС.

Впроцессе тренировок контролируется минимальный набор параметров, характеризующих работоспособность ИС. Для информативных параметров измеряют мгновенные значения после завершения тренировок.

Так как в процессе тренировок происходит ускоренная деградация структуры, значения информативных параметров, измеренные в процессе тренировки, могут обеспечивать более высокую достоверность выявления потенциально ненадежных ИС.

Впроцессе выполнения работы используется система сбора данных на основе платы NI DAQ с дополнительными элементами, необходимыми для контроля параметров ИС при повышенных температурах.

Информативными параметрами являются статические и динамические параметры, измеряемые при пониженных напряжениях питания. Снижение напряжения питания в процессе ЭТТ компенсируется повышением температуры окружающей среды.

57

УДК 621.3.049.774

Р.С. Белозеров, А.А. Винокуров

ДИАГНОСТИКА ПАРТИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПО ВРЕМЕННЫМ РЯДАМ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Одна из основных задач в области надежности интегральных схем – прогнозирование изменения значений электрических параметров во времени.

Возможны различные подходы к задаче прогнозирования – от обычных линейной и квадратичной экстраполяции имеющихся значений параметров до обучения нейронных сетей.

Влитературе представлены результаты прогнозирования параметров на основе рядов продолжительностью до десятков тысяч часов. Такая продолжительность эксперимента позволяет получить долгосрочный прогноз с высокой точностью. В большинстве случаев такие ряды получить невозможно, поэтому с некоторыми приближениями прогнозы строят на основе результатов ускоренных испытания. Ускоряющим фактором чаще всего выступает температура.

Входе исследования решаются следующие задачи:

1.Организация системы сбора данных на основе плат сбора данных NI DAQ, среды программирования LabView и вспомогательных приборов, позволяющей автоматически формировать ряды информативных параметров для последующей обработки.

2.Получение рядов электрических параметров для выборки интегральных схем в нормальном режиме работы, при пониженных напряжениях питания и при повышенных температура.

3.Применение к полученным рядам алгоритмов построения прогнозов, известных из литературных данных.

4.Оценка информативности измеряемых параметров и последующая оценка потенциальной надежности исследуемых интегральных схем.

58

УДК 621.3

Н.М. Беляева, А.В. Арсентьев

РАЗДЕЛЕНИЕ ПАРТИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПО НАДЕЖНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

В СИСТЕМЕ MATLAB

Увеличение номенклатуры производимых интегральных схем (ИС) и уменьшение размеров партий приводит к тому, что ускоренных испытаний становится недостаточно для разбраковки партий ИС. Статистической информации набирается недостаточно за такой короткий срок жизни изделий, следовательно, точность разбраковки снижается. Одним из вариантов увеличения точности разделений партий по надежности является прогнозирование параметров ИС во времени одним из методов.

К современным средствам прогноза можно отнести прогнозирование с помощью нейронных сетей. Для расчетов выбрана популярная интерактивная среда Matlab с пакетом расширения Deep Learning Toolbox. Этот пакет содержит инструменты для классификации и регрессии по изображению, временным рядам и текстовым данным. В качестве временного ряда используются электрические параметры ИС, а прогнозирование происходит с помощью особой нейронной сети с долгой краткосрочной памятью (LSTM). Это особая разновидность архитектуры рекуррентных нейронных сетей, способная к обучению долговременным зависимостям.

Чтобы построить прогноз будущих временных шагов, нужно обучить регрессионную LSTM-сеть примерами, где ответами являются обучающие ряды, сдвинутые на один шаг по времени. То есть на каждом временном шаге входного ряда сеть LSTM учится предсказывать значение следующего временного шага.

Таким образом строим прогноз, далее делаем выводы о поведении электрических параметров ИС в будущем. Те партии ИС, что демонстрируют лучший прогноз, будем считать более надежными, таким образом происходит разделение партий ИС по надежности.

59