УЭ 6.8-8. Измерение электрических параметров интегральных схем

Для логических интегральных цепей к техническим показате­лям относятся: быстродействие, потребляемая мощность, поме­хоустойчивость и нагрузочная способность.

Применение того или иного класса измерительной системы (ИС) в радиоэлектронной аппаратуре связано со специфически­ми требованиями. Такими требованиями для цепей транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) являются:

•

согласование входных характеристик при работе с устройства­ми, с которых может сниматься сигнал с амплитудой больше ло­гической единицы, например Uвх = Еп:

•

контроль характеристик, гарантирующий подавление помех, возникающих при работе цепей друг на друга. Условия согласова­ния особенно важны при работе цепей эмиттерно-связанной ло­гики (ЭСЛ). Поэтому в состав системы параметров некоторых се­рий цепей ЭСЛ входит контроль не только выходных пороговых напряжений, но и контроль выходных уровней с двухсторонним ограничением, а также контроль динамических параметров с двух­сторонним ограничением.

Статическая помехоустойчивость. Помехоустойчивость логичес­кой цепи характеризуется нормальным напряжением, на которое можно изменить уровни на входе цепи, не вызывая изменения напряжения на ее выходе за пределы граничных значений логи­ческого нуля или логической единицы. Это определение можно отнести и к совокупности логических цепей, если учесть мини­мальное и максимальное значения напряжений в соответствую­щих состояниях. Допустимое напряжение статической помехи оп­ределяется по семействам передаточных характеристик U_вых =f(U_вх), полученным с учетом технологического разброса параметров эле­ментов схем. При этом можно выделить помехоустойчивость по отношению к отпирающим помехам

,

а также по отношению к запирающим сигналам

,

где и — соответственно максимальное и мини­мальное значения логического нуля и логической единицы на вы­ходе цепи; и — максимальное и минимальное на­пряжения на входе, характеризующие ее открывания и закрыва­ния.

Анализ передаточных характеристик показывает, что при от­сутствии технологического разброса параметров элементов, влия­ния условий эксплуатации на пороговые напряжения логических цепей и зоны переключения на передаточной характеристике вы­полняется условие:

,

где U_л — напряжение логического перепада.

Критерием оптимального выбора параметров и решением схе­мы логической цепи является максимальная помехоустойчивость по отношению к обоим типам помех, т. е.

.

Для получения максимальной помехоустойчивости необходи­мо правильно выбирать граничные точки областей при различных формах и расположении предельных передаточных характеристик, а также параметры элементов с учетом обеспечения максимально возможной помехоустойчивости.

Анализ формул показывает, что характеристика помехоустойчивости определяется входными и выходными на­пряжениями схемы, поэтому для гарантий помехоустойчивости необходимо устанавливать заданное напряжение на входе цепи и контролировать напряжение на ее выходе. Конкретные методики контроля выходных напряжений будут рассмотрены далее.

УЭ 6.8-9 Нагрузочная способность. Нагрузочная способность п опреде­ляет допустимое количество цепей нагрузок, которые можно под­ключить к управляющей цепи. При этом выходной ток I_вых должен быть больше допустимого суммарного тока цепей нагрузок, т.е.

∑I_вх < I_вых. Отсюда при идентичности входных токов цепей на­грузок находим

.

Обозначим напряжения U_вх1 и U_вх2, соответствующие выход­ным напряжениям, Лог «0» и Лог «1». При напряжении U_вх1из измерительной системы вытекает ток I_ВХ. При аналогичном на­пряжении на выходе измерительной системы в выходную цепь вытекает ток I_ВЬ1Х. Следовательно, нагрузочная способность цепи в открытом состоянии, соответствующем Лог «0» на выходе, опре­делится исходя из рассмотренных характеристик по формуле

.

Аналогичным образом определяется нагрузочная способность цепи в состоянии Лог «1»:

. (16.5)

Из формул видно, что для проверки фактичес­кой нагрузочной способности цепи необходимо проводить изме­рения входных и выходных токов при заданных значениях вход­ных и выходных напряжений.

На выходных характеристиках пороговые точки находятся на крутых участках, т.е. при незначительных изменениях выходных напряжений токи могут измениться на значительную величину. Поэтому для повышения точности измерений задают выходные токи и измеряют выходные напряжения (аналогичным образом поступают при контроле параметров прямой ветви вольт-ампер­ной характеристики диода).

Анализ передаточной, входной и выходной характеристик по­казывает, что обеспечить гарантии помехоустойчивости и нагру­зочной способности измерительной системы можно путем изме­рения четырех контролируемых параметров при установлении ре­жима измерения в соответствии с таблицей 7 .1.

УЭ 6.8-10 Потребляемая мощность. Средняя мощность, потребляемая ло­гической цепью, определяется по формуле

,

где и — ток потребления в состоянии Лог «О» и Лог «1» соответственно.

Для проверки потребляемой мощности необходимо контроли­ровать параметры и , при соответствующих напряжениях на входе цепи. В области зоны переключения (между значениями ) для схемы ТТЛ наблюдается резкое увеличе­ние потребляемого тока. Это связано с тем, что в момент пере­ключения оказываются открытыми как выходной транзистор, так и транзистор, включенный в его коллекторную цепь. При этом через транзисторы протекает импульс сквозного тока. Это приво­дит к тому, что ток потребления является функцией частоты сле­дования входных импульсов. Следовательно, при проектировании источников питания для запитки схемы ТТЛ необходимо учитывать повышение потребляемой мощности при увеличении рабо­чей частоты устройства.

Таблица 6.1 Режим измерения*

Контролируемые параметры	Задаваемые параметры
	; ;

Контроль тока потребления на высокой частоте проводить весь­ма сложно. Поэтому вводится контроль дополнительного парамет­ра — тока короткого замыкания I_К.З, т.е. контролируется ток, про­текающий в выходной цепи при замыкании ее на «землю» и при закрытом выходном транзисторе.

При выборе источников питания, обеспечивающих работу ап­паратуры на цепях ТТЛ на высокой частоте, можно ориентиро­ваться на следующее неравенство:

т. е. сумма двух измеренных токов будет всегда несколько больше тока потребления на предельной частоте.

7.1-11 Быстродействие. Быстродействие интегральной цепи опреде­ляется средним временем переключения из одного логического состояния в другое:

где — задержка распространения сигнала из состояния Лог «1» в состояние Лог «0»; — задержка распространения сигнала из состояния Лог «0» в состояние Лог «1».

Эти значения времени, измеряемые на уровне порога пере­ключения (1,5 В), состоят из двух этапов переходного процесса:

;

;

где — задержка включения, которая характеризуется временем, в течение которого происходит заряд барьерных емкостей транзи­сторов и паразитной емкости изолирующего р— n-перехода; — время включения цепи (фронт нарастания), которое характеризу­ется накоплением заряда неосновных носителей в базе выходного транзистора, а также перезарядом барьерной емкости коллектор­ного перехода и разрядом нагрузочной емкости, подключенной выходу микросхемы.

В аппаратуре нагрузочная емкость определяется входной емко­стью схем-нагрузок и емкостью печатного монтажа; —задержка выключения, которая характеризуется временем рассасывания из­быточного заряда, накопленного в области коллектора выходного транзистора; — время выключения цепи (фронт спада), кото­рое характеризуется рассасыванием неосновных носителей в базе, перезарядом емкости коллекторного перехода и зарядом емкости нагрузки.

В качестве параметров, гарантирующих быстродействие, кон­тролируются и . Для цепи ТТЛ среднего быстродействия

≤ 22 нс и ≤ 15 нс. Среднее время переключения в соответствии с формулой составляет ≤ 18,5 не.

Дополнительные параметры. Очень часто при построении бло­ков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) интегральные цепи включаются от различных устройств (например, мощных ключей), которые имеют общий источник питания. В этом случае на вход может подаваться напряжение, равное напряжению питания. Для обеспечения гарантии работоспособности измерительной систе­мы при таком режиме работы в систему измеряемых параметров вводится параметр I_{вх.проб} (ток входного пробивного напряжения), который контролируется при U_BX = Еn.

В линиях передачи возможно появление помех, искажающих информационные сигналы, в результате могут происходить лож­ные срабатывания цепи. Анализ переходного процесса показыва­ет, что амплитуда помехи определяется входными и выходными характеристиками измерительной системы и волновым сопро­тивлением линии связи. Для уменьшения амплитуды колебаний во входные цепи введены ограничительные («антизвонные») диоды. Это конструктивное решение привело к тому, что вход­ная характеристика в области U_BX ≤ 0 изменила свой наклон. Если диод в цепи в результате какого-либо дефекта будет отсутство­вать, то наклон входной характеристики не изменится. Для кон­троля качества диода вводится параметр U_Д (напряжение на антизвонном диоде), который контролируется при определенном входном токе I_вх.Д.

УЭ 6.8-12 Контроль статических и динамических параметров логических интегральных цепей. Интегральные логические цепи предназначе­ны для работы в электронной аппаратуре при самых разнообраз­ных условиях, в том числе и в наихудших условиях, допустимых техническими условиями. Поэтому электрические параметры долж­ны контролироваться в условиях, соответствующих наихудшим условиям работы. При этом следует отметить, что для каждого конкретного параметра и типа измерительной системы наихуд­шие условия могут быть различными.

Рассмотрим методы контроля параметров на примере транзис­торно-транзисторной логической цепи, выполняющей функцию И-НЕ.

Схема измерения выходного напряжения логического нуля исследуемой системы (ИС) показана на рисунке 6.54, а. Параметр является характеристикой помехоустойчивости и гарантируется при заданной нагрузочной способности. Следовательно, его измерение производится при одновременной подаче на все входы входного порогового напряжения Лог «1» ( _min задается генератором на­пряжения (ГН)), при протекании в выходной цепи тока (задается генератором тока (ГТ)) и минимальном напряжении пита­ния, разрешенном условиями эксплуатации (задается генератором напряжения Е_п). Эти условия являются наихудшими для контроли­руемого параметра.

Рисунок 6.54 Схемы для измерения выходного напряжения логического нуля и логической единицы:

а — измерение параметра; б — измерение параметра ;

Одновременная подача на все входы напряжения Лог «1» обес­печивает контроль выполняемой функции. Действительно, если хотя бы по одному входу напряжение Лог «1» окажется недоста­точным для открывания цепи, то на выходе установится напря­жение, не соответствующее Лог «О» (измеренная величина не бу­дет больше, чем ), и изделие будет отбраковано по данно­му параметру.

Схема измерения выходного напряжения логической единицы приведена на рисунке 7.9, б. Контроль данного параметра производится при вытекающем токе ;, который задается генератором тока при минимальном напряжении питания, т.е. задается генератором напряжения Е_п. Для обеспечения режима Лог «1» на выходе можно на все входы ИС подать напряжение, соответствующее Лог «О». Од нако в этом случае не будет гарантироваться помехоустойчивость Для гарантии помехоустойчивости на один из контролируемых вхо дов подается напряжение, соответствующее значению , оно задается генератором ГН]. При этом на оставшиеся входы по дается напряжение, соответствующее максимальному значению Лог «1», т.е. оно задается генератором ГН₂. Контроль выполняемой функции обеспечивается поочередным подключением входов к генератору напряжения ГН| и при этом каждый раз производится измерение выходного напряжения.

Схема для измерения входного тока логического нуля ; приведена на рисунке 7.10, а. Контроль данного параметра производится поочередно по каждому входу. В этом случае к контролируемом входу подключается генератор ГН₁, напряжение которого равно , и измеряется ток, протекающий в данной цепи. При каж­дом измерении оставшиеся входы подключаются к генератору на­пряжения ГН₂, на котором выставляется напряжение, соответ-

Рисунок 6.55 Схемы для измерения входного тока логического нуля, логи­ческой единицы и пробивного тока на входе ИС:

а — измерение параметра тока; б — измерение параметров тока и

ствующее максимальному напряжению Лог «1». Наихудшие усло­вия, при которых измеренное значение максимально, соответ­ствуют максимальному напряжению питания, которое задается генератором напряжения Е_п.

Схема измерения входного тока логической единицы ,и про­бивного тока на входе схемы приведена на рис. 6.55, б. Контроль данных параметров производится поочередно по каж­дому входу. Контролируемый вход подключается к генератору на­пряжения, на котором напряжение для параметра устанавли­вается равным , а для параметра I_вх._проб соответствует мак­симальному напряжению питания. Наихудший случай для указан­ных параметров обеспечивается заданием максимального напря­жения питания.

Рассмотрим на конкретном примере, как посредством контро­ля параметров , , , , контролируются помехоустой­чивость и нагрузочная способность ТТЛ схемы. Норму на пара­метр примем равной 0,4 В при токе нагрузки 16 мА, а значе­ние входного порогового напряжения Лог «1» установим 2 В. Нор­ма на параметр соответствует 2,4 В. При этом ток нагрузки задается 400 мкА, а входное пороговое напряжение Лог «0» уста­навливается равным 0,8 В. Норма на параметр соответствует 40 мкА, а на параметр — 1,6 мА. Тогда будем иметь:

;

.

Приведенный пример показывает, что помехоустойчивость логической цепи составляет 0,4 В, а нагрузочная способность рав­на 10.

Схема контроля параметра U_Д приведена на рисунке 7.11, а. Конт­роль данного параметра производится поочередно по каждому входу. Генератором тока (ГТ) задается вытекающий ток I_д и измеряется напряжение на входе цепи. Так как этот параметр определяется при открытом состоянии антизвонного диода, то измеряемое на­пряжение будет отрицательным. Наихудшие условия для данного параметра соответствуют режиму, когда напряжение питания ми­нимально (оно задается источником напряжения Е_п) и на остав­шиеся входы подается напряжение, соответствующее максималь­ному значению Лог «1».

Схема контроля параметра I_к.з приведена на рисунке 7.11, б. Кон­троль данного параметра заключается в измерении тока, протека­ющего в выходной цепи при замыкании его на общую шину. При этом все входы микросхемы также подключены к общей шине. Наихудшие условия обеспечиваются заданием максимального на­пряжения питания.

Схемы контроля параметров и приведены на рисунке 7.11. Контроль данных параметров заключается в измерении токов, про­текающих в цепи питания ИС, когда она находится в состоянии

Лог «0» и Лог «1» на выходе. Состояние Лог «0» обеспечивается подключением всех входов к генератору напряжения ГН, напря­жение которого устанавливается равным напряжению питания. Состояние Лог «1» обеспечивается подключением всех входов к общей шине. Наихудшие условия, при которых измеренные зна­чения параметров максимальны, соответствуют максимальному напряжению питания (оно задается генератором напряжения Е_п).

Схема для измерения динамических параметров ,приве­дена на рисунке 7.13. Контроль данных параметров заключается в из­мерении посредством двухлучевого осциллографа Р временных ин­тервалов.

Рисунок 6.56 Схемы для измерения напряжения антизвонного диода и тока короткого замыкания ИС: а — измерение параметра U_д; б — измерение параметра I_к.з

Рисунок 6.57 Схемы для измерения тока потребления логического нуля и логической единицы:

а — измерение параметра ; б — измерение параметра

Резистор R₁ подключается непосредственно к входу цепи и пред­назначен для согласования генератора импульсов, линии связи и входного сопротивления цепи. Сопротивление этого резистора должно иметь то же значение, что и волновое сопротивление ли­нии связи. В измерительную цепь введен эквивалент нагрузки, который приближает условия измерения к условиям эксплуата­ции микросхем. Диоды Д₁... Д₄ обеспечивают включение нагрузоч­ного тока, протекающего от источников Е_п через резистор R₂, аналогично тому, как это происходит при включении цепей на­грузок в реальных узлах аппаратуры. Емкость нагрузки С_и имити­рует входные емкости измерительной системы и монтажной пла­ты. Сопротивление резисторов R_1, R₂, емкость нагрузки С_и и пара­метры диодов выбираются в зависимости от типа микросхемы и условий ее эксплуатации. Входы, на которые в данном измерении не подается сигнал от генератора импульсов, подключены к гене­ратору напряжения ГН, значение которого устанавливается рав­ным максимальному значению Лог «1».

Эквивалент нагрузки

Рисунок 6.58 Схема для измерения динамических параметров

Для интегральных цепей ТТЛ среднего быстродействия задерж­ки включения и выключения составляют ≤ 22 нс и ≤ 15 нс.

Среднее время переключения с учетом этих данных t_3.Cp ≤18,5 нс.

При этом входной импульс имеет следующие параметры: амп­литуду 3В, длительность импульса 100 нс, частоту следования импульсов 1 МГц, фронты импульса 10 нс.

6.8-13 Измерительные средства. Основной особенностью контрольно-измерительной аппаратуры, предназначенной для оценки пара­метров измерительных средств, является то, что она должна иметь несколько источников и измерителей напряжения и тока. Важны­ми показателями работы такой аппаратуры служат точность зада­ния режима и погрешности измерения параметров интегральных схем. К такой аппаратуре, например, относится контрольно-из­мерительный комплекс «Интеграл», который обеспечивает изме­рения цепей ТТЛ при массовом производстве.

Измерительный комплекс предназначен для контроля по за­данной программе статических характеристик цепей с количеством выводов до 24 и напряжением питания не более 16 В. Комплекс содержит ЭВМ, позволяющую одновременно хранить в памяти до пяти измерительных программ. Он характеризуется следующи­ми основными показателями: количеством измерительных пуль­тов (5); максимальным количеством измерений в одной програм­ме (до 200); количеством программируемых источников напряже­ния (4); источником тока (1).

В измерительном комплексе имеется устройство, обеспечива­ющее измерение напряжения и тока, а также сравнение с эталон­ными значениями. Устройство по напряжению имеет два диапазо­на, которые по всем характеристикам совпадают с программиру­емыми источниками напряжения.

Измерительный комплекс обеспечивает подключение любого из 24-х выводов к одному из программируемых источников на­пряжения или к измерительному устройству. Время цикла срав­нения напряжения или тока с образцовым значением составляет от 3 до 50 мс в зависимости от величины измеряемого тока или выходного сопротивления источника.

Для контроля динамических параметров цепей измерительной системы применяются установка контроля динамических пара­метров микроузлов «Лодка-1», универсальный полуавтомат для контроля динамических параметров цифровых микроузлов «Элекон-ДЛ» и испытатель микроузлов ИИС-1 Д.

Измерительная система «Лодка-1» позволяет контролировать ди­намические параметры логических элементов типа ТТЛ, ДТЛ, ЭСЛ, а также триггеров, счетчиков, ОЗУ, так как в ее составе имеются три автономно управляемых канала генераторов импульсов.

Измерительные системы «Элекон-ДЛ» и ИИС-1Д обеспечива­ют контроль динамических параметров логических цепей ТТЛ,

Рисунок 6.59 Структурная схема измерительного комплекса «Элекон-СД»

сумматоров, ПЗУ, т. е. тех типов микроузлов, при контроле дина­мических параметров которых требуется не более одного канала генератора.

Наличие двух автономных измерительных систем для контроля статических и динамических параметров приводит к тому, что в технологическом процессе их производства контроль параметров занимает много времени, так как приходится производить кон­тактирование дважды: отдельно для контроля статических и дина­мических параметров.

Этого недостатка лишен комплекс «Элекон-СД», который поз­воляет контролировать в одном контактирующем устройстве ста­тические и динамические параметры измерительной системы. Структурная схема измерительного комплекса «Элекон-СД» при­ведена на рисунке 7.14. Она включает в себя:

•	установку контроля статических параметров «Элекон-УКС-2»;
•	установку контроля динамических параметров «Элекон-УКД»;

•	инженерную станцию комплекса;
•	четыре рабочих места РМ-1...РМ-4.

•	вычислительную машину с устройствами ввода-вывода ин­формации, в памяти которой хранятся программы контроля ИС и самоконтроля комплекса.

«Элекон-СД» позволяет контролировать измерительные систе­мы с числом выводов до 96. Быстродействие комплекса при конт­роле статических параметров составляет 2... 5 мс/тест, динамичес­ких — 5... 10 мс/тест. Диапазоны задаваемых величин токов, на­пряжений и измеряемых временных интервалов обеспечивают воз­можность контроля статических и динамических параметров из­мерительных систем.

Дата добавления: 2014-01-20