Измерение параметров интегральных микросхем

Измерение параметров интегральных микросхем
Студент должен:
иметь представление:
- о видах интегральных схем;
- о параметрах интегральных схем;
знать:
- методику измерения параметров ИМС;
уметь:
- производить измерение параметров логических микросхем;
- производить измерение параметров аналоговых 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 различают по двум признакам; по конструкции корпуса и расположению выводов
(с пленарными 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 «о» 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) заключился в получении переменной,
противоположной данной.
На рисунке приведены условное графическое обозначение (УТО) элементов И, ИЛИ, НЕ и таблицы
истинности. В таблице истинности «1» означает наличие сигнала на входах и выходе, а «0»- его
отсутствие.
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 не инвертирующий ) 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 𝑈вых 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: 𝑈см — напряжение
смещения, 𝑈вх 1,2 — входные токи, 𝑘𝑈 — коэффициент усиления по напряжению, 𝑈вых -напряжение
на выходе, 𝐼потр — 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 𝑘𝑢 или 𝑈вых 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 𝑈 2 );
•
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 подключат 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.