- •Федеральное агентство по образованию
- •Пояснительная записка
- •Федеральное агентство по образованию
- •1 Литературный обзор
- •2 Разработка структурной схемы устройства функционального контроля восьмиразрядных микроконтроллеров
- •3 Разработка электрической схемы устройства функционального контроля восьмиразрядных микроконтроллеров
- •3.1 Разработка электрической схемы функционального контроля ис в сравнении с эталоном
- •3.2 Разработка электрической схемы, обеспечивающей прием данных из компьютера
- •3.2.1 Разработка электрической схемы для блока «ram 1»
- •3.2.2 Разработка электрической схемы для блока «ст 1»
- •3.2.3 Разработка электрической схемы для блока «ms 1»
- •3.2.4 Разработка электрической схемы для блоков «Буфер данных 1» и «Буфер данных 2»
- •3.2.5 Разработка электрической схемы для блока «Логика управления 1»
- •3.3 Разработка электрической схемы, обеспечивающей передачу данных в компьютер
- •3.3.1 Разработка электрических схем для блоков «ram 2», «ct 2», «ms 2», «Буфер данных 3» и «Буфер данных 4»
- •3.3.2 Разработка электрической схемы для блока «Логика управления 2»
- •4 Выбор и обоснование алгоритмов фт озу
- •4.1 Общие сведенья
- •4.1.1 Способы построения алгоритмических функциональных тестов озу
- •4.1.2 Описание неисправностей в двоичном дш адреса озу
- •4.1.3 Описание неисправностей и методы их устранения в матрице озу
- •4.2 Построение фт, проверяющего озу непосредственно после воздействия специальных факторов
- •4.3 Построение фт, проводящее полную проверку озу после всех спецвоздействий
- •5. Выбор и обоснование фт ппзу. Построение алгоритмов
- •5.1 Особенности функционального контроля зу с преимущественным считыванием информации
- •5.2 Построение фт, проверяющего ппзу непосредственно после воздействия специальных факторов
- •5.3 Построение фт, проводящее полную проверку ппзу
- •6 Выбор и обоснование фт набора команд. Построение алгоритмов
- •6.1 Общие сведенья
- •6.1.1 Общая характеристика
- •6.1.2 Типы команд
- •6.1.3 Типы операндов
- •6.1.4 Группы команд
- •6.1.5 Обозначения, используемые при описании команд.
- •6.2 Построение фт, проверяющего набор команд непосредственно после воздействия специальных факторов
- •6.3 Построение фт, проверяющего набор команд
- •7 Разработка печатной платы для схемы функционального контроля ис в сравнении с эталоном
- •7.1 Создание компонентов и ведение библиотек
- •7.2 Создание компонента кр1533тл2 с помощью программы работы с библиотеками p-cad Library Executive
- •7.3 Создание схемы электрической принципиальной с помощью программы p-cad Schematic
- •7.4 Разработка топологии печатных плат
- •7.5 Топология разработанной печатной платы
- •8 Организационно-экономическая часть
- •8.1 Предварительная оценка планируемой к выполнению проектно- конструкторской работы
- •8.2 Организация и планирование окр
- •8.2.1 Расчет трудоемкости окр
- •8.2.2 Распределение трудоемкости окр по исполнителям
- •8.2.3 Расчет договорной цены научно- технической продукции
- •8.3 Технико- экономический анализ конкурентоспособности новой конструкции рэа
- •8.3.1 Выбор и обоснование товара- конкурента
- •8.3.2 Анализ технической прогрессивности нового устройства контроля
- •8.3.3 Анализ изменений функциональных возможностей нового устройства контроля
- •8.3.4 Анализ соответствия новой конструкции рэа нормативам
- •8.3.5 Образование цен товара- конкурента и нового товара
- •8.3.6 Расчет годовых издержек потребителя в условиях эксплуатации
- •8.3.7 Расчет полезного эффекта
- •8.3.8 Расчет нижнего и верхнего пределов нового товара
- •8.3.9 Образование цены потребления и установление коммерческой конкурентоспособности
- •8.3.10 Обоснование конкурентоспособности новой конструкции рэа. Условия выхода на рынок
- •9 Безопасность жизнедеятельности и экологичность
- •9.1 Безопасность жизнедеятельности
- •9.1.1 Анализ вредных и опасных факторов труда в лаборатории нии
- •9.1.2 Обеспечение санитарно-гигиенических требований к помещениям нии и рабочим местам сотрудников
- •9.1.3 Характеристика шума и мероприятия по его снижению
- •9.1.4 Требования к освещению помещений и рабочих мест
- •9.1.5 Вредные факторы при работе с монитором
- •9.1.6 Противопожарная защита
- •9.1.7 Электробезопасность
- •9.1.8 Электормагнитные поля и их нормирование
- •9.1.9 Расчет вентиляции
- •9.2 Экологичность
- •9.3 Оценка устойчивости микроконтроллера к воздействию проникающей радиации
- •9.3.1 Влияние ионизирующего излучения на кристалл микроконтроллера
- •9.3.2 Расчет защитного экрана от нейтронного излучения
9.2 Экологичность
В случае соблюдения всех вышеуказанных требований техники безопасности использование ПЭВМ не приводит к выбросам в атмосферу дыма, газов и аэрозолей. При этом не происходит загрязнения почвы твердыми и жидкими отходами, загрязнения окружающей среды болезнетворными микроорганизмами, а также не создается вредных излучений или полей. Таким образом, использование ПЭВМ не нарушает экологии, так как не производит загрязнения биосферы.
9.3 Оценка устойчивости микроконтроллера к воздействию проникающей радиации
9.3.1 Влияние ионизирующего излучения на кристалл микроконтроллера
В настоящее время нет ни одной области науки и техники или отрасли народного хозяйства, в которых достижения радиоэлектроники не играли бы решающей роли в их развитии. Дальнейшее расширение областей применения и нарастания ответственности и сложности задач, выполнение которых возлагается на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА). Все это приводит к усложнению аппаратуры, расширению ее функций, числа внешних воздействующих факторов, оказывающих влияние на ее работоспособность, в том числе поражающих факторов ядерного взрыва. Наряду с такими поражающими факторами ядерного взрыва, как ударная волна и световое излучение, РЭА особенно сильно подвержены воздействию проникающих излучений. Этим объясняется важность решения вопросов повышения устойчивости РЭА к воздействию проникающему излучению при ее конструировании.
Проникающая радиация влияет на работоспособность аппаратуры электроники, воздействуя на свойства материала. Действия проникающей радиации ограничено поглощающими свойствами гамма и нейтронного излучений атмосферой. Радиус действия проникающей радиации не превышает 1 километр.
Разрабатываемый блок необходим для контроля микроконтроллера, который выполнен по 1,2-микронной КМОП технологии. Все элементы контроллера выполнены на одном полупроводниковом кристалле, который закрыт в герметичном керамическом корпусе. По степени интеграции микроконтроллер относится к числу больших интегральных схем (БИС).
Особенности структур малых размеров, выполненных по КМОП технологии, проявляются при облучении проникающими излучениями. Главным образом эти особенности проявляются в изменении пороговых напряжений. С пробными образцами кристалла микроконтроллера были проведены исследования влияния проникающего излучения на изменение порогового напряжения полупроводниковых структур с каналом n-типа. Результаты эксперимента, представленные на рисунке 9.2, наглядно показывают увеличение чувствительности КМОП-структур к g-облучению от источника (облучение проводили при мощности дозы 1,93104Гр/ч при напряжении на затворе +2,7 В для n-канальных транзисторов). Как видно из графика при увеличении дозы облучения пороговое напряжение уменьшается, то есть транзистор будет открываться и при более низких значениях напряжения на затворе. Это приведет к ошибкам в работе микроконтроллера и сбою всей системы, где он установлен.
Рисунок 9.2- Изменение пороговое напряжение полупроводниковых структур с каналом n-типа под действием проникающего излучения.
Уменьшение ширины канала транзисторов также оказывает влияние на чувствительность КМОП-структур к воздействию проникающих излучений. Наблюдается возрастание сдвига порогового напряжения. Этот экспериментальный факт иллюстрируется на рисунке 9.3. В работе проводилось исследование n-канальных транзисторов.
Рисунок 9.3- Изменение порогового напряжения транзисторов с различной шириной канала под действием ионизирующего излучения.
Усиление чувствительности порогового напряжения КМОП-структур при уменьшении длины канала объясняется увеличением напряженности электрического поля в подзатворном диэлектрике, что приводит к росту изменения напряжения насыщения и, следовательно, к сдвигу порогового напряжения при любой дозе облучения. Вклад в увеличение падения напряжения в подзатворном диэлектрике дают электрические поля обедненных областей стока и истока. Кроме того, не исключается «загрязнение» значительной части оксида атомами примеси при формировании областей стока и истока.
В случае уменьшения ширины канала эффект возрастания чувствительности порогового напряжения КМОП-структур к проникающему излучению объясняется влиянием краевого поля на ступеньке толстый оксид - тонкий оксид. Именно это поле вызывает изменение поверхностного потенциала в канале и, следовательно, порогового напряжения: оно больше в узкоканальном транзисторе по сравнению с ширококанальными. При воздействии излучений в толстом оксиде накапливается больший положительный заряд, чем в тонком. Вследствие этого поверхностные потенциалы и пороговые напряжения у узкоканальных и ширококанальных приборов становятся одинаковыми. Однако, поскольку у них различались начальные значения, то сдвиг изменения порогового напряжения у транзистора с узким каналом получается больше, чем у обычных транзисторов.
Кроме того, КМОП БИС на изменение пороговых напряжений накладываются более жесткие требования, чем в КМОП ИС. Сдвиг порогового напряжения иногда не должен превышать 0,3 В. Часто этим объясняется низкая радиационная стойкость некоторых КМОП БИС, при проектировании которых не учитывался радиационный дрейф параметров.
Также важным параметром, влияющим на работоспособность КМОП БИС в условиях проникающих излучений, является напряжение питания. С одной стороны, при увеличении напряжения питания (и, следовательно, величин напряжений на затворах транзисторов) возрастает изменение порогового напряжения. С другой стороны, увеличение напряжения питания расширяет границы допустимых значений пороговых напряжений. Как показывает практика, рабочая область цифровых схем расширяется в большей мере, чем возрастает дрейф пороговых напряжений КМОП-структур. Поэтому с увеличением напряжения питания отказы МОП БИС наступают при больших значениях дозы. Так, например, микроконтроллер в случае Uпит= = 4 В отказал при дозе 100 Гр, а в случае Uпит = 5 В - при 250 Гр.