6.4. Измерение параметров интегральных микросхем

Классификация интегральных микросхем. В зависимости от тех­нологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые и пленоч­ные. Сочетание технологий позволяет реализовать еще одну группу — гибридные.

Полупроводниковые ИМС характеризуются повышенным количе­ством элементов и защищены от влияния внешней среды. Пленочные ИМС — схемы с пассивными элементами. В гибридных ИМС пленоч­ными являются пассивные элементы и соединения, а активные эле­менты — бескорпусные диоды и транзисторы, выполненные на отдель­ных полупроводниковых кристаллах.

Сложность ИМС определяется количеством содержащихся в ней элементов и компонентов — степенью интеграции.

По степени интеграции различают следующие ИМС:

• маломасштабные (МИС) — 20—40 элементов:

• среднемасштабные (СИС) — 50—150 элементов;

• большие (БИС) — 150—900 элементов;

• сверхбольшие (СБИС) — более 1000 элементов.

Благодаря развитию технологии униполярных МОП- или МДП-транзисторов существенно повышена степень интеграции микросхем.

Относительная простота технологии изготовления, малая потреб­ляемая мощность, невысокая стоимость, а также ряд ценных схемо­технических средств позволяют на основе ИМС создавать устройства различной сложности и степени ответственности — от микропроцессо­ров до сложнейших приборов, работающих в космосе.

ИМС различаются по двум признакам: по конструкции корпуса и рас­положению выводов (с планарными выводами — DIP PDIP; со штырько­выми выводами — SOIC) и по функциональному назначению (аналого­вые, или линейные — АИМС; цифровые — ЦИМС).

АИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, и используются в усилителях сигналов низких и высоких частот, в генераторах, смеси­телях, детекторах, т.е. в устройствах, где активные элементы работают в линейном режиме.

ЦИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Активные элементы ЦИМС работают в ключевом режиме. ЦИМС используются в ЭВМ, в устройствах дискретной обработки информации, системах автома­тики. Одним из видов ЦИМС являются логические элементы, которые предназначены для выполнения логических операций над переменны­ми и способны принимать только два уровня напряжения — логиче­ский «0» и логическую «1». Логическому «0» соответствует низкий уровень напряжения, а логической «1» - высокий.

Несколько простейших логических функций можно реализовать с помощью основных логических элементов:

• логическое сложение (дизъюнкция, или операция ИЛИ) заключается в том, что функция принимает значение, равное «1», если хотя бы на одном входе присутствует «1»:

• логическое умножение (конъюнкция, или операция И) заключается в том, что функция принимает значение, равное «1», если на всех входах одновременно присутствует «1»;

• логическое отрицание (инверсия, или операция НЕ) заключается в получении переменной, противоположной данной.

На рисунке 6.4 приведены условное графическое обозначение (УГО) элементов И, ИЛИ, НЕ и таблицы истинности. В таблице истинности «1» означает наличие сигнала на входах и выходе, а «0» — его отсутствие.

Рис. 6.4. УГО и таблицы истинности для логических элементов И (а), ИЛИ (б) и НЕ (в)

Помимо функциональных элементов одноступенчатой логики су­ществуют элементы двухступенчатой и трехступенчатой логики.

Измерение параметров и проверка кондиционности АИМС. Из множества АИМС широко применяются дифференциальные и опера­ционные усилители (ОУ), а также видеоусилители и другие широко­полосные усилители. ОУ представляют собой усилитель постоянного тока (УПТ) с двумя входами (прямым и инвертируемым) и одним вы­ходом. Вводя в такой усилитель разнообразные обратные связи, мож­но получить электронное устройство, реализующее различные функ­ции преобразования сигнала. Типичной является подача на оба входа ОУ парафазного (дифференциального) сигнала. Эти два воздействия могут быть различными, вплоть до того, что один из входов (инверти­рующий или неинвертирующий) может быть заземлен.

ОУ являются многокаскадными усилителями, в которых первый каскад — дифференциальный; выходной каскад строится так, чтобы обеспечить достаточно большой динамический диапазон; промежу­точные каскады обеспечивают дополнительное усиление и сдвиг уров­ня. Сдвиг уровня необходим для того, чтобы при отсутствии сигналов на входах напряжение на выходе равнялось нулю.

Отклонение значения U_вых от нуля при отсутствии сигналов на вхо­дах должно быть минимальным (доли милливольта).

Другими важными характеристиками ОУ являются следующие:

• большое входное сопротивление (в десятки — сотни килоом), обе­спечиваемое входным дифференциальным каскадом;

• малое выходное сопротивление (сотни ом);

• большой коэффициент усиления по напряжению (десятки — сотни тысяч);

• малая потребляемая мощность (десятки милливатт);

• большая полоса пропускания ОУ (десятки тысяч килогерц и бо­лее);

• слабое влияние температуры.

ОУ имеют большое количество параметров, измеряемых специаль­ными испытателями (группа Л2), с помощью которых измеряются ка­чественные параметры линейных ИМС: U_см — напряжение смешения, I_вх1,2 — входные токи, k_U — коэффициент усиления по напряжению, U_вых — напряжение на выходе, I_потр — потребляемый ток.

Измеренные параметры сравнивают со справочными и делают вывод о годности и кондиционности АИМС. Годной и кондиционной считается микросхема, измеренные параметры которой полностью со­ответствуют справочным; годной и некондиционной (ограниченно годной) — микросхема, измеренные параметры которой не соответствуют справочным; негодной — микросхема, параметры которой k_и или U_вых равны нулю.

Измерение параметров и проверка работоспособности ЦИМС.

Испытания ЦИМС проводятся одним из трех основных методов: ста­тическим, динамическим, тестовым (функциональным).

Статические испытания выполняются на постоянном токе путем измерения статических параметров ЦИМС.

Динамические (импульсные) испытания выполняются в импульс­ных режимах путем измерения динамических параметров.

Тестовые (функциональные, или стендовые) испытания обеспечива­ют моделирование рабочих режимов, которое позволяет имитировать реальные рабочие режимы. Работоспособность ЦИМС определяется в рабочих условиях. Тестовые испытания реализуются с помощью промышленных испытателей (группа Л2), характерными особенно­стями таких испытателей являются проверка логических элементов одно-, двух- и трехступенчатой логики; необходимость составления для каждой конкретной логической ЦИМС индивидуальной прог­раммы испытаний — таблицы истинности, основываясь на законах алгебры логики.

Такой испытатель не позволяет проверять триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы и микропроцессоры.

Для проведения тестовых испытаний необходимо выполнить подготовительную работу, выписав из справочной литературы следующую информацию:

• тип корпуса ИМС с указанием номера 1-го вывода для правильного последующего подключения микросхемы к адаптеру;

• номера выводов, на которые необходимо подать напряжение пита­ния микросхемы;

• значение напряжения питания;

• номер вывода заземления;

• значения напряжений, соответствующих уровням логической «1» и логического «0» (U¹ и U⁰);

• номера выводов, соответствующих входам и выходам ИМС;

• структурную схему ЦИМС.

На основании справочных сведений по двум последним пунктам составляют программу испытаний (таблицу истинности с дополни­тельной графой для записи результатов измерения напряжения).

К каждому выходу ЦИМС последовательно подключают электрон­ный вольтметр, которым измеряется выходное напряжение логического элемента при разных комбинациях сигналов на входе микросхемы (в соответствии с составленной программой испытаний).

Сравнение ожидаемого значения напряжения с измеренным значе­нием позволяет сделать вывод о работоспособности ЦИМС.

Испытатели ЦИМС, работа которых основана на тестовой про­верке, позволяют проверить общую работоспособность микросхемы и требуют продолжительного времени при подготовке и собственно испытаний.