книги из ГПНТБ / Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие
.pdfСхемы, имеющие степень интеграции порядка сотни и более элемен тов, соединенных между собой многослойной коммутацией, называют
большими интегральными схемами (БИС) или субсистемами.
Развитие в последние годы технологии униполярных транзисторов со структурой металл — диэлектрик (окисел) — полупроводник (МДП или МОП-транзнсторы) позволяет качественно повысить степень ин теграции ИС. Сравнительная простота технологии изготовления, малое потребление мощности, низкая стоимость, а также ряд ценных схемо технических свойств МДП-транзисторов, позволяет строить на их ос нове устройства, начиная от настольных клавишных ЭВМ до косми ческих приборов.
Неограниченные возможности БИС позволили перейти к проекти рованию на их основе ЭВМ четвертого поколения.
Классификация интегральных схем по характеру применения. При анализе элементов ЭВМ, автоматизированных систем управления
(АСУ), радиолокационной и другой радиоаппаратуры |
видно, что по |
|
А |
В |
с |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
/ |
0 |
1 |
/ |
1 |
Рис. 10-2. Логический элемент И
назначению и характеру выполняемых функций их можно разделить на цифровые (логические) и линейные (аналоговые).
Цифровые элементы — элементы, выполняющие различные логи ческие функции алгебры: логики, обработки, хранения и передачи данных. Эти элементы используют в устройстве управления, логиче ских и арифметических узлах ЦВМ и АСУ.
Линейные |
элементы — элементы, |
используемые для |
усиления и |
согласования |
сигналов, выработки |
различных серий |
импульсов, |
в качестве фильтров, детекторов и |
т. п. Их применяют |
в устрой |
|
ствах запоминающих,ввода-вывода ЦВМ, а также в аппаратуре связи. По характеру применения ИС делят также на цифровые и линей
ные ИС.
Цифровые ИС используют в качестве инверторов, клапанов и дру гих логических схем в устройствах обработки и передачи информа ции; триггеров в регистрах ЦВМ. В цифровой аппаратуре информация имеет двоичный вид и представляется двумя уровнями напряжения: логического нуля «0» и логической единицы «1» (для определенности можно считать, что «0» соответствует низкий уровень напряжения, а' «1» — высокий).
Все арифметические и логические устройства ЦВМ основаны на использовании трех основных логических элементов: И — схемы совпадения, ИЛИ — собирательной схемы и НЕ — схемы инвертора. На рис, 10-2 приведены электрическая эквивалентная схема элемента И
180
с двумя входами и таблица истинности, показывающая все возмож ные комбинации входных и выходных сигналов этой схемы. В таблице истинности «1» отображает состояние «замыкание ключа» или указы вает на зажженную лампочку, а «О» — на «размыкание ключа» или на незажженную лампочку. Сигнал на выходе элемента И появляется
А В |
С |
|
1 |
О |
О |
I |
/ |
/ |
Рис. 10-3. Логическим элемент ИЛИ |
|
|
только тогда, когда на все его входы подается уровень напряжения, соответствующий «1».
Из эквивалентной схемы и таблицы истинности, приведенных на рис. 10-3, видно, что сигнал на выходе элемента ИЛИ появляется тогда, когда на любой из его входов подается напряжение, уровень которого соответствует «1».
Логический элемент НЕ, изображенный на рис. 10-4, инвертирует входной сигнал («1» в «0» или «0» в «1»).
Основную массу аналоговых ИС составляют различные усили тельные схемы, необходимые для радиоэлектронной аппаратуры. Примерами аналоговых ИС являются в первую очередь схемы усилителей операционных, низкой и высокой частоты, импульсных, а также схемы генераторов, селекторов, детекторов и т. п.
Операционный усилитель на лампах или тран зисторах обладает следующими существенными недостатками: необходимостью тщательной регу лировки; трудностью симметрирования в усло
виях эксплуатации; недостаточной точностью и стабильностью схем с дифференциальными входами. Основной причиной этих недостатков является сложность согласования характеристик пары транзисторов (ламп) в дифференциальном усилителе.
Использование же групповых технологических методов произ водства ИС позволяет выполнить требование идентичности парамет ров пары транзисторов, интегрированных на общей подложке как единый активный элемент.
§ 10-3. Основные параметры интегральных схем
Как и каждую электронную схему, ИС характеризуют комплексом электрических параметров. Цифровые ИС, работающие в ключевом режиме, имеют ограниченное число электрических параметров, доста точное для полной характеристики той или иной системы. В табл. 10-1 приведены основные параметры цифровых ИС.
181
Т а б л и ц а 10-1
|
О с н о в н ы е п а р а м е т р ы ц и ф р о в ы х И С |
|
|
|||
с т а т и ч е с к и е |
|
|
д и н а м и ч е с к и е |
|
||
Входной ТОК |
/ вх |
Время |
задержки |
фронта |
выходного |
|
|
|
сигнала |
t3, ф |
|
|
|
Выходной ток закрытой ИС / пЫх |
Время |
задержки |
среза |
выходного |
||
|
|
сигнала |
t3, с |
|
|
|
Верхний уровень выходного напря |
Длительность фронта выходного сиг |
|||||
жения £/в |
|
нала Тф |
|
|
|
|
Низкий уровень выходного напря |
Длительность среза выходного сиг |
|||||
жения и ш |
|
нала тс |
|
|
|
|
Статическая |
помехоустойчивость |
Импульсная |
помехоустойчивость — |
|||
Un. ст |
|
Un. дин |
|
|
|
|
Статические параметры ИС характеризуют величины токов и уровни напряжений на входах и выходах схемы, ее устойчивость к влиянию статических помех в установившемся режиме.
Рис. 10-5. Форма входного и выходного сигнала цифровых ИС
Динамические параметры ИС характеризуют быстродействие ИС и устойчивость ее к влиянию импульсных помех.
Например, временные соотношения для логического элемента НЕ определяют по формам входного и выходного сигналов, изображенных на рис. 10-5.
Линейные ИС описываются большим числом параметров. Дей ствительно, различные типы усилителей, мультивибраторов, фильтров
ит. п. определяются различными системами параметров. Наиболее характерные параметры линейных ИС следующие:
коэффициент усиления (передачи) k\ напряжение выходных сигналов i/Dblx; частота выходных импульсов / п; длительность фронта выходных импульсов тф; длительность среза выходных импульсов тс; входное сопротивление схемы # вх;
182
выходное сопротивление схемы Д„ых; полоса пропускания Af;
коэффициент нелинейности амплитудной характеристики kai помехоустойчивость (напряжение помехи) Un;
коэффициент асимметрии выходного напряжения kа.
§ 10-4. Методы испытаний интегральных схем
Цель испытания ИС — установить, выполняет ли схема требуемые функции. Так как в ИС отдельные элементы не могут быть измерены, то при испытании ИС основное внимание уделяется проверке работо способности схемы в целом.
Готовые ИС подвергаются испытаниям при: а) разбраковке по прин ципу «годен — не годен» (производственный характер испытаний); б) определении зависимостей одних параметров от других с учетом внешних условий (исследовательский характер испытаний).
Существуют три основных метода испытаний: статические, дина мические и стендовые (функциональные).
Статические испытания выполняются на постоянном токе и пре дусматривают измерение статических параметров ИС.
К таким параметрам относят верхний и низкий уровень напряже ния, входной и выходной токи, коэффициент усиления и т. д., а также проверку по таблице истинности всех выходных сигналов при возмож ных комбинациях сигналов на входах.
Динамические (импульсные) испытания выполняются в импульсных режимах, при которых измеряются время включения, выключения, нарастания, среза задержки распространения сигнала и др.
Стендовые испытания (моделирование рабочих режимов) — испы тания, при которых максимально имитируется реальный рабочий режим. При стендовых испытаниях определяется работоспособность ИС в рабочих условиях.
Для контроля качества готовых ИС заводом-изготовителем произ водятся следующие основные категории испытаний:
1. Приемо-сдаточные испытания — испытания каждой партии ми кросхем текущего выпуска. При этих испытаниях производится про верка внешнего вида ИС и электрических параметров, соответствия
чертежам, маркировки.
2. Периодические испытания проводятся с целью проверки ста бильности базовой технологии производства микросхем. ИС подвер гают испытаниям периодически: в первый год — ежеквартально, в последующие годы — раз в полугодие. При этих испытаниях про веряют устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, прочность выводов микросхем, надежность (для контроля уровня производства).
3.Конструктивные испытания производят при изменении кон струкции, технологии изготовления, замене материалов, если эти из менения могут снизить качество микросхем.
4.Испытания на гарантийную наработку производят при изме
нении конструкции, технологии изготовления, замене материалов,
183
если эти изменения могут повлиять на время гарантийной наработки микросхем.
В последнее время получили распространение методы неразрушае-
мого |
контроля ИС, |
наиболее эффективными из которых являются: |
1. |
Визуальный |
контроль с помощью электронного микроскопа. |
2.Рентгеноскопия.
3.Радиометрические методы (использование инфракрасных лу
чей) .
4.Электрические измерения по косвенным признакам (определе
ние параметров ИС в микрорежиме, измерение шумов).
О с о б е н н о с т и |
и зм е р е н и я п а р а м е тр о в и н т е г р а л ь н ы х |
схем. |
Измерение |
||||
параметров ИС |
основывается на классических способах измерения |
||||||
|
|
электрических величин: на |
|||||
|
|
входах ИС создают рабо |
|||||
|
|
чие |
режимы |
и |
измеряют |
||
|
|
необходимые |
|
параметры; |
|||
|
|
Измерения на выходах схе |
|||||
|
|
мы производят при под |
|||||
|
|
ключенной эквивалентной |
|||||
|
|
нагрузке. На рис. 10-6 |
|||||
|
|
представлена |
схема |
изме |
|||
|
|
рений параметров, где/ — |
|||||
|
|
приборы, |
задающие |
и из |
|||
|
|
меряющие |
входные |
пара |
|||
|
|
метры; II |
— приборы, из |
||||
|
|
меряющие выходные пара |
|||||
|
|
метры; Б П —блок питания; |
|||||
|
|
ИИС — испытываемая ИС; |
|||||
|
|
ЭН — эквивалентная |
на- |
||||
Рис. 10-6. Схема измерений параметров инте- |
грузка; mV — милливольт- |
||||||
гральных схем |
метр; |
ГИ ■— |
генератор им |
||||
|
|
пульсов; |
ИН — источник |
||||
напряжения; ЭО — электронный осциллограф; Ч —частотометр; ИЧХ — измеритель частотных характеристик.
При измерении параметров следует учитывать особенности совре менных ИС, в которых амплитуда импульсов составляет величину не более 10 В, а временные параметры лежат в пределах от десятых долей до десятков наносекунд. Указанные особенности ИС предъяв ляют повышенные требования к чувствительности контрольно-изме рительной аппаратуры.
§ 10-5. Измерение статических параметров интегральных схем
О пр ед ел ен и е с т а ти ч е с к и х |
х а р а к т е р и с т и к и н т е г р а л ь н ы х схем с п о |
м о щ ь ю о сц и л л о гр аф а . Для |
определения статических характеристик |
ИС можно использовать осциллограф, при .этом на испытуемую ИС с включенной эквивалентной нагрузкой на выходе подают необходимые напряжения смещения. Линейноизменяющееся напряжение на входе
184
используется в качестве развертки по одной оси осциллографа (вы ходное напряжение используется в качестве развертки по другой оси).
На экране осциллографа можно получить изображение передаточ ных характеристик, т. е. зависимостей: выходного напряжения0 ВЫХот входного напряжения UBX(рис. 10-7); выходного тока / вых от входного
Рис. |
10-7. Схема для определения передаточной |
||
|
характеристики |
£УВЫХ = |
F (U BX): |
ГС — |
г е н е р а т о р с и г н а л о в ; |
ИМС — |
и с п ы т ы в а е м а я И С ; |
|
И — н а г р у з к а |
|
|
тока / вХ(рис. 10-8); |
а также входные характеристики / вх = F (Нвх) |
||
и выходные характеристики / ВЫх=77(^вых)- Такие характеристики мо гут быть определены при различных температурных и предельных напряжениях источников питания, гарантирующих работу ИС в необходимом диапазоне окружающих условий и электрических на грузок.
Анализ полученных характеристик дает возможность оценить лггнейность, помехоустойчивость, температурный диапазон, влияние
Рис. 10-8. Схема определения |
передаточной |
характе |
|||
|
ристики |
/ ВЬ|Х = |
F ( I вх): |
|
|
ГС — г е н е р а т о р |
с и г н а л о в ; |
МИС — |
и с п ы т ы в а е м а я |
И С ; |
Н — |
|
|
н а г р у з к а |
|
|
|
отклонений напряжения |
питания и |
нагрузочную |
способность ИС. |
||
По допустимым границам разброса передаточных входных и выходных характеристик устанавливают годность и негодность ИС. Для этой цели используют осциллограф-характериограф, на экране которого можно установить трафареты с предельными характеристиками.
Посредством осциллографа можно также измерить быстродей ствие, частотный диапазон, времена нарастания и среза и другие вре менные характеристики ИС.
185
На практике также часто используют метод измерения основных
параметров ИС с помощью приборов непосредственной оценки. |
|
Измерение нижнего и верхнего уровня |
выходного сигнала Utt и |
U„ интегральных схем. Для измерения |
Un и Uп задают соответ: |
ствующие режимы на входах схемы, величину и вид нагрузки на выходе.
Если измерения уровней происходят в статическом режиме, исполь зуют вольтметры постоянного тока, класса точности не ниже 1,0 с внутренним сопротивлением ^ 5 = 10000 Ом/В.
Измерение коэффициента усиления (передачи) Ъ интегральных схем. В зависимости от требуемой точности измерение коэффициента усиления k производят следующим образом.
С п о с о б 1. Этот способ применим, если допускают погрешность измерения до ±25% , а также когда подаваемое на вход ИС напряже ние настолько мало, что не может быть измерено вольтметром. Напря
|
жение |
сигнала, |
подаваемого |
||
|
на вход ИС, отсчитывают по |
||||
|
шкале аттенюатора |
генерато |
|||
|
ра; на выходе ИС напряжение |
||||
|
измеряют вольтметром (см. |
||||
|
рис. 9-6). |
|
|
|
|
|
Коэффициент усиления |
||||
|
|
k = UBUX/U„. |
(10-1) |
||
Рис. 10-9. Схема измерения коэффициента |
С п о с о б 2. |
Этот способ |
|||
усиления посредством делителя напряжения |
позволяет посредством |
дели |
|||
|
теля |
напряжения, |
включен |
||
ного на выходе, добиться более высокой точности измерения (рис. 10-9). Подаваемое на вход испытываемой ИС от источника ИН напряжение UBX (положение 1 переключателя) и выходное напряжение U’BbSli (по ложение 2 переключателя) измеряют одним и тем же вольтметром.
Коэффициент усиления микросхемы
k = Uвых/ (Uвх^дел) = UBb[x/Usx, |
( 1 0 - 2 ) |
где &Дел — коэффициент деления делителя напряжения, равный |
|
* « е л = / ? * / ( / ? ! + / ? s ) , |
( Ю - З ) |
a Ri + Яг — Яш — сопротивление нагрузки. |
Входное |
Измерение входного сопротивления интегральных схем. |
|
сопротивление ЯвХ измеряют различными способами в зависимости от величины выходного сопротивления генератора. В случае, когда выходное сопротивление генератора ЯГ Явх, измерение производят с помощью магазина сопротивлений в соответствии со схемой, при ведённой на рис. 10-10. На вход испытываемой ИС ИИС подают через магазин сопротивлений МС от генератора сигналов ГС напряжение определенной частоты и амплитуды. Изменяя сопротивление магазина, добиваются следующего равенства:
UBX= Ut!2, |
(10-4) |
186
где Ue — напряжение на выходе генератора (положение 1 переключа теля); UBX — напряжение на входе ИИС (положение 2 переключа теля).
Затем отсчитывают величину сопротивления магазина RhU которое будет численно равно входному сопротивлению ИИС: RBX = R„.
Использование магазина сопротивлений для измерения RBX допу стимо лишь на низких частотах (до 1 кГц). На высоких частотах для измерения RBX пользуются безреактивными сопротивлениями.
Вслучае, когда выходное сопротивление генератора RT, соизмеримо
свходным сопротивлением RBXиспытываемой ИС, измерение входного сопротивления производят с помощью генератора прямоугольных им пульсов в соответствии со схемой, приведенной на рис. 10-6. С генера тора импульсов ГИ на вход испытываемой ИС ИИС подается напря жение £/вХ, затем ИИС отключается и измеряется напряжение на вы ходе генератора при холостом ходе 1ДХХ. Входное сопротивление ИИС
Я . х = ( У в х Д г ) / ( У г х , - и ях). |
Rh |
|
|
( 10-6) |
|
Измерение |
максимальной поме |
|
хоустойчивости интегральных схем |
|
|
при наличии сигнала на входе Un. |
|
|
Измерение максимальной помехо |
|
|
устойчивости с сигналом U„ произ |
Рис. 10-10. Схема измерения входного |
|
водят методом сравнения напряже |
сопротивления посредством магазина |
|
ния импульса |
с калиброванным |
сопротивления |
напряжением |
осциллографа. На |
|
вход ИС одновременно с входным сигналом (в наихудшем сочетании) подают сигнал помехи Un, причем амплитуда помехи плавно меняется от нуля до значения, при котором изменение выходного сигнала микро схемы превысит значение, указанное в технических условиях. Приме ром подобного изменения выходного сигнала в цифровых ИС служит переход напряжения из высокого уровня («1»).в низкий («0»).
Измерение динамического диапазона интегральных схем. Динами ческий диапазон ИС характеризуется отношением выходного макси мального напряжения неискаженного сигнала UBblx тах к минимальному выходному сигналу Нвых min.
Динамический диапазон, дБ,
|
I V = |
2 0 l g ( U в ы х т а х / £ Д ы х т 1 п ) > |
( 1 0 - 6 ) |
|
где t/Bblx min и |
{Дых шах |
определяют как |
границы |
прямолинейного |
участка амплитудной характеристики (рис. 10-11). |
|
|||
Измерение |
коэффициента нелинейности |
kK амплитудной характе |
||
ристики интегральной схемы. При измерении коэффициента нели нейности ku на вход ИС от генератора сигналов подают максимально допустимое напряжение UBXmax и при этом фиксируют напряжение на выходе UBbtxтах. Затём, уменьшив напряжение на входе ИС на величину ДU (удобную для отсчета по шкале лампового вольтметра, так как чем меньше AU, тем точнее определяется нелинейность амплитудной
187
характеристики), отмечают напряжение на выходе ИС UBUXl. Далее, напряжение на входе ИС вновь уменьшают до значения Двх пнп и фик сируют уже напряжение на выходе UBых mmЗатем напряжение на входе увеличивают на ту же величину AU и отмечают напряжение на выходе
Коэффициент |
нелинейности |
амплитудной |
характеристики, |
% |
|||||
К |
("в |
■и„ |
п ) ( и в ы х т а х |
^ n b i x l ) |
100. |
(10-7) |
|||
|
|
|
|
||||||
|
|
' ^вых min)/(^вх m a x |
^ в х т ! п)] |
|
|||||
Измерение коэффициента нелинейности производится на заданной |
|||||||||
частоте f3. |
|
|
асимметрии |
выходного напряжения fta |
|||||
Измерение коэффициента |
|||||||||
|
|
|
|
интегральной |
схемы при усилении |
||||
|
|
|
|
симметричных импульсов на входе. |
|||||
|
|
|
|
Измерение /гп производят в соответ |
|||||
|
|
|
|
ствии со схемой, приведенной на |
|||||
|
|
|
|
рис. 10-6. На вход схемы подают им |
|||||
|
|
|
|
пульсы положительной полярности |
|||||
|
|
|
|
амплитудой |
UBXi |
и измеряют на |
|||
|
|
|
|
пряжение на выходе 6/вых,. Затем на |
|||||
|
|
|
|
вход испытуемой ИС 14ИС подают |
|||||
Рис. 10-11. Амплитудная характери- |
импульсы |
отрицательной |
поляр |
||||||
стика ИС |
|
|
ности |
с |
абсолютным значением |
||||
напряжение на выходе UB |
|
амплитуды |
ДВХа = |
UВХ[ и измеряют |
|||||
Коэффициент асимметрии выходного на- |
|||||||||
пряжения, %, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ka — |
[| f^Bbixi | |
| ^ в ы х г! / [T^obixi I + |
| Т/Вых2 (]• |
(10-8) |
|||||
§ 10-6. Измерение динамических параметров интегральных схем
Динамические параметры чаще всего измеряют с помощью осцил лографа, но этот метод малопроизводителен и не позволяет автомати зировать измерения. Наиболее перспективным с точки зрения автома тизации измерения и повышения ее точности являются разработанные в настоящее время неосциллографические методы измерения времен ных параметров:
метод сравнения с эталонным устройством, при котором выходы измеряемой ИС сравниваются с выходами аналогичного эталонного устройства при возбуждении того и другого одним источником сигна лов;
метод преобразования временного интервала в аналоговую или цифровую величину (см. § 6-8).
Эти методы точны и значительно производительнее обычных клас сических методов измерения временных параметров; для их техниче ской ' реализации разрабатывают различные эталонные устройства и преобразовательные схемы.
Неосциллографический способ измерения времени задержки среза. Принцип работы преобразовательной схемы (рис. 10-12) для измерения
188
времени задержки среза между входным и выходным сигналами i3X заключается в предварительном преобразовании этой величины в рав ную ей длительность импульса тока, а затем в последующем преобра-
Рис. 10-12. Схема измерения Бремени задержки среза им |
|
пульса: |
|
Г И — г е н е р а т о р и м п у л ь с о в ; ИИС — и с п ы т ы в а е м а я И С ; |
БП — |
б л о к п и т а н и я |
|
зовании длительности импульса тока в напряжение, которое измеряется |
|
вольтметром. Таким образом, считывание результата |
измерения вре |
менного параметра производится с по |
|
|
||
мощью вольтметра, шкала которого |
|
|
||
проградуирована в наносекундах. |
|
|
||
На временной диаграмме (рис. 10-13) |
|
|
||
изображено последовательное преобра |
|
|
||
зование временного параметра в напря |
|
|
||
жение. Аналогично выполняются изме |
|
|
||
рения следующих временных интервалов: |
|
|
||
длительности фронта тф, длительности |
|
|
||
среза тс, времени задержки фронта £,-ф. |
|
|
||
Измерение |
задержки распростране |
|
|
|
ния |
сигнала t3.p. Для измерения време |
|
|
|
ни |
задержки |
распространения сигнала |
|
|
в цифровых ИС широко применяют так |
|
|
||
называемый метод кольцевого генерато |
Рис. |
10-13. Временная диаграм |
||
ра (схема измерения приведена на рис. |
||||
10-14). Метод заключается в том, что це |
ма |
измерения задержки среза |
||
|
импульсов: |
|||
почка из нечетного числа инвертируе |
/ — |
в х о д н о й с и г н а л ; 2 — в ы х о д к о й |
||
мых ИС замыкается в кольцо, при этом |
|
с и г н а л |
||
возникает цепь положительной обратной связи. Вследствие нечетности числа ИС состояние их входов и выхо
дов непрерывно меняется, т. е. происходит возбуждение полученной схемы на собственной частоте.
Среднее время задержки распространения сигнала |
|
t3.P.zp=l/(Nf), |
(10-9) |
где N — число ИС в цепочке; / — частота колебаний, измеренная часто
томером.
Отбраковку ИС по 4.р.ср производят, заменяя в схеме «кольцевого генератора» ИС с точно измеренным параметром, т. е. эталонную ИС
189