Лекция 23. 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 в радиоэлектронной аппаратуре связано со специфическими требованиями. Такими требованиями для цепей транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) являются:

Ø согласование входных характеристик при работе с устройствами, с которых может сниматься сигнал с амплитудой больше логической единицы, например U_вх = E_п;

Ø контроль характеристик, гарантирующий подавление помех, возникающих при работе цепей друг на друга. Условия согласования особенно важны при работе цепей эмиттерно-связанной логики. Поэтому в состав системы параметров некоторых серий цепей эмиттерно-связанной логики входит контроль не только выходных пороговых напряжений, но и 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 выходеза 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 характеристикU_вых = f(U_вх), полученных с учетом технологического разброса параметров элементов схем. При этом можно выделить помехоустойчивость по отношению к отпирающим помехам

= ‒ . (11.2)

а также по отношению к запирающим сигналам

= ‒ , (11.3)

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

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 следующее условие:

+ = U_л.

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.

+ = U_{п max} = 0.5U_л.

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 (11.2) и (11.3) 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.

Нагрузочная способность. Нагрузочная способность п определяет допустимое число цепей нагрузок, которые можно подключить к управляющей цепи. При этом выходной ток /вых должен быть больше допустимого суммарного тока цепей нагрузок, т.е.

∑I_бк ≤ I_вых.

Отсюда при идентичности входных токов цепей нагрузок находим:

n = .

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

n_{(Лог «0»)} = . (11.4)

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

n_{(Лог «1»)} = . (11.5)

Из формул (11.4) и (11.5) 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 табл. 11.1.

Таблица 11.1. Режим измерения

Потребляемая мощность. Средняя мощность, потребляемая логической цепью, определяется по формуле

P_ср = ,

где , — ток потребления в состояниях Лог «0» и Лог «1» соответственно.

Для проверки потребляемой мощности необходимо контролировать параметры и , при соответствующих напряжениях на входе цепи. В области зоны переключения (между значениями и ) 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 частотыследования входных импульсов. Следовательно, при проектировании источников питания для запитки схемы ТТЛ необходимо учитывать повышение потребляемой мощности при увеличении рабочей частоты устройства.

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:

+ I_к.з > I_{п(f = fmax)},

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

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

t_з.ср = , (11.6)

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 (1,5В), состоят из двух этапов переходного процесса:

= + 0.5 ; = + 0.5 ,

где — задержка включения, которая характеризуется временем, в течение которого происходит заряд барьерных емкостей транзисторов и паразитной емкости изолирующегоp-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 к 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 ≤ 22нс и ≤ 15нc. Среднее время переключения в соответствии с формулой (11.6) составляет t_з.ср ≤ 18,5нс.

Дополнительные параметры. Очень часто при построении блоков радиоэлектронной аппаратуры 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_вх = E_п.

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_вх ≤ 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.

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. В связи с этим 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 для измерения выходного напряжения логического нуля исследуемой системы ИС показана на (рис. 11.6 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» ( задается генератором напряжения ГН), при протекании в выходной цепи тока (задается генератором тока ГТ) и минимальном напряжении питания, разрешенном условиями эксплуатации (задается генератором напряжения E_п). Эти условия являются наихудшими для контролируемого 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 «0» (измеренная величина не будет больше, чем ), и изделие будет отбраковано по данному параметру.

Схема для измерения выходного напряжения логической единицы приведена на (рис. 11.6 б). Контроль данного параметра производится при вытекающем токе, который задается генератором тока при минимальном напряжении питания, т.е. генератором напряжения E_п. Для обеспечения режима Лог «1» на выходе можно на все входы исследуемой системы ИС подать напряжение, соответствующее Лог «0». Однако в этом случае не будет гарантироваться помехоустойчивость. Для гарантии помехоустойчивости на один из контролируемых входов подается напряжение, соответствующее значению , т.е. оно задается генератором напряжения ГН₁. При этом на оставшиеся входы подается напряжение, соответствующее максимальному значению Лог «1», т.е. оно задается генератором напряжения ГН₂. Контроль выполняемой функции обеспечивается поочередным подключением входов к генератору напряжения ГН₁, и при этом каждый раз производится измерение выходного напряжения.

Схема для измерения входного тока логического нуля приведена на (рис. 11.7 а). Контроль данного параметра производится поочередно по каждому входу. В этом случае к контролируемому 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, соответствующее максимальному напряжению Лог «1». Наихудшие условия, при которых измеренное значение максимально, соответствуют максимальному напряжению питания, которое задается генератором напряжения E_п.

Схема для измерения входного тока логической единицы и пробивного тока на входе схемы I_вх._проб приведена на (рис. 11.7 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 0,4B при токе нагрузки 16мА, а значение входного порогового напряжения Лог «1» установим 2B. Норма на параметр соответствует 2,4B. При этом ток нагрузки задается равным 400мкА, а входное пороговое напряжение Лог «0» — 0,8B. Норма на параметр соответствует 40мкА, а на параметр — 1,6мА. Тогда будем иметь:

= 0,8B ‒ 0.4B = 0,4B;

= 2,4B ‒ 2,0B = 0,4B;

n_{(Лог «0»)} = = 10;

n_{(Лог «10»)} = = 10.

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

Схема контроля параметра U_д приведена на (рис. 11.8 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 E_п) и на оставшиеся входы подается напряжение, соответствующее максимальному значению Лог «1».

Схема контроля параметра I_к.з приведена на (рис. 11.8 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 , приведены на (рис. 11.9). Контроль данных параметров заключается в измерении токов, протекающих в цепи питания исследуемой схемы, 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 (см. рис. 11.9 а). Состояние Лог «1» обеспечивается подключением всех входов к общей шине (см. рис. 11.9 б). Наихудшие условия, при которых измеренные значения параметров максимальны, соответствуют максимальному напряжению питания (оно задается генератором напряжения E_п).

Схема для измерения динамических параметров приведена на (рис. 11.10). Контроль данных параметров заключается в измерении посредством двухлучевого осциллографа временных интервалов.

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 E_п через резистор R2, аналогично тому, как это происходит при включении цепей нагрузок в реальных узлах аппаратуры. Емкость нагрузки C_н имитирует входные емкости измерительной системы и монтажной платы. Сопротивление резисторов R1, R2, емкость нагрузки С_н 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».

Для интегральных цепей ТТЛ среднего быстродействия задержки включения и выключения составляют ≤ 22нс и ≤ 15нс. Среднее время переключения с учетом этих данных t_з.ср ≤ 18,5нс.

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

Контрольные вопросы

1Какие требования предъявляются для цепей транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)?

2Что такое статическая помехоустойчивость?

3Что такое нагрузочная способность?

4Как рассчитывается средняя мощность, потребляемая логической цепью и какие параметры при этом необходимо контролировать?

5Как определяется быстродействие интегральной цепи, приведите формулу, объясните значения времени, измеряемые на уровне порога переключения?

6Что такое дополнительные параметры для чего они вводятся?

7Для чего применяется контроль статических и динамических параметров логических интегральных цепей?

8С какой целью в схему измерения напряжения логической единицы включен генератор напряжения ГН₁?

9Чем отличается методика измерения параметра U_д от методики измерения параметра I_к.з?

10С какой целью в схему измерения динамических параметров включен эквивалент нагрузки?