Решение задач по математике | Измерение параметров интегральных схем | Matematiku5
Вузы по математике Готовые работы по математике Как писать работы по математике Примеры решения задач по математике Решить задачу по математике online

Измерение параметров интегральных схем


Лабораторная работа N7

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение методов измерения статических и динамических параметров интегральных схем. Получение навыков измерений параметров интегральных схем при помощи вольтметра и осциллографа.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Интегральную схему можно рассматривать как четырехполюсник, который характеризуется входными и передаточными характеристиками, т. е. свойства схемы можно определить, зная токи на её зажимах в зависимости от токов или от комбинаций. Наиболее важной является передаточная характеристика, т. е. зависимость выходного напряжения от входного:

U вых. = f (Uвх) при вх = пост; tUвх = пост,

где Uвх и вых— соответственно амплитуды входного и выходного сигналов;

вх  — частота повторения входного сигнала;

Uвх  — длительность входного сигнала.

Передаточная характеристика для различных элементов имеет разный вид в зависимости от их назначения. Для логически пассивных элементов (например, диодно — резисторного конъюнктора) передаточная характеристика примерно линейна и имеет угол наклона менее 450 (рис.1).

Логические элементы с инвертированием входного сигнала и усилением по напряжению, к числу которых относятся элементы "НЕ", описывают характеристикой с двумя линейными участками, соответствующими уровням логического "0" и логической "1", и узким переходным участком, пересекающимся с прямой единичного усиления (К=1) и образующим с ней пороговую точку "А" (см. рис.1).

Элементы содержат набор компонентов (транзисторы, диоды, резисторы и т. п.), которые могут иметь определенные отклонения параметров от заданных величин, поэтому и передаточная характеристика для некоторой совокупности однотипных элементов представляет собой не одну кривую, а некоторую область, ограниченную сверху и снизу двумя граничными кривыми (рис.2).

При этом Uвых"1"макс. и Uвых"1"мин. — максимальный и минимальный уровни выходного сигнала, т. е. Uвых"1" — максимальный уровень выходного сигнала, который имеется хотя бы у одного из элементов данного типа, и Uвых."1"мин. минимальный уровень выходного сигнала, который имеется хотя бы у одного из элементов. Уровни U вых "0" макс.  и Uвых. "0" мин  следует рассматривать подобным образом.

Рис.1. Передаточные характеристики элементов ЦВМ:

1 – характеристика элемента с квантованием и инверсией входного сигнала;

2-характеристика входного элемента без инверсии входного сигнала.

Рис.2. Передаточная характеристика совокупности однотипных элементов.

На этом же графике отмечены точки U вх."0"макс. и U вх"1"мин. Уровень входного сигнала U вх"0"макс — это такой уровень входного сигнала, при котором ни один из элементов данного типа не переключается из "1" в "0", соответственно U вх"1"мин — уровень входного сигнала, при котором на выходе любого элемента данного типа сохраняется сигнал "0". По этой характеристике можно определить запасы помехоустойчивости элемента. Достаточно провести прямые под углом в 450 от точек пересечения уровней U вых"1"мин и U вых"0"макс осью ординат до пересечения с осью абсцисс (см. рис.2).

Сравнивая полученные точки на оси абсцисс со значениями U вх."0"макс и U вх"1"мин , определяют запасы помехоустойчивости:

U пом"0" — запас помехоустойчивости по нулевому сигналу на входе,

U пом"1" — запас помехоустойчивости по единичному сигналу на входе.

Кроме передаточной характеристики для описания свойств элемента используют и другие характеристики:

Формирующую — зависимость амплитуды и длительности сигнала на выходе элемента от длительности сигнала на его входе при постоянной частоте и амплитуде входного сигнала;

Нагрузочную — зависимость амплитуды и длительности сигнала на выходе элемента от нагрузки при постоянной частоте, длительности и амплитуде входного сигнала и, наконец

Частотную — зависимость амплитуды и длительности сигнала на выходе элемента от частоты повторения входного сигнала при постоянной амплитуде и длительности входного сигнала.

Перечисленные характеристики широко использовали при констру — ировании и эксплуатации элементов машин первого и второго поколе — ний. Применительно к машинам третьего поколения данные характерис — тики рассматривают только на стадии проектирования элементов, при эксплуатации же используют параметры элементов, т. е. граничные значения электрических характеристик.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ

И СПОСОБЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Вследствие неизбежного технологического разброса параметров компонентов параметры отдельных схем различны, поэтому необходимо установить такие критерии отбора элементов по их параметрам, которые обеспечивали бы работоспособность схем в наихудших случаях.

Кроме того, измерения следует производить во всем рабочем диапазоне температур и при заданных изменениях напряжения электропитания элементов.

В данной работе ограничимся измерением основных параметров элементов серии К155 при фиксированных температуре и напряжении электропитания.

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Для набора элементов задают полярность и амплитуду (или уровни) входных и выходных сигналов. Обычно при этом задают значения сигнала (уровни или амплитуду), максимальные для "0" и минимальные для "1".

Для элементов серии К155 принята положительная логика, т. е. за сигнал единицы принимается сигнал с более положительным уровнем, чем сигнал нуля. Элементы считаются работоспособными, если выходное напряжение при логическом "0" на выходе меньше или равно 0,4 В. И выходное напряжение при логической "1" на выходе больше или равно 2,4 В, т. е.

Uвых"0" < 0,4 В, Uвых"1" > 2,4 В

На рис.3 приведена принципиальная электрическая схема элемента И — НЕ на четыре входа из серии элементов К155.

Рис.3. Принципиальная электрическая схема элемента И-НЕ на четыре входа.

Рис.4. Схемы измерений уровней выходных сигналов — Uвых"1"(а) и Uвых"0"(б).

Большинство разновидностей элементов этой серии построены аналогично, но имеют разное число входов (многоэмиттерный транзис — тор с разным числом эмиттеров) или разного вида схемы транзисторных усилителей — инверторов. (Транзисторы Т1 — Т3 для данной схемы).

Если на все входы схемы подать сигналы с уровнем больше 2,4 В, то через многоэмиттерный транзистор в базу транзистора Т1 поступит такой ток, что транзисторы Т1 и Т3 окажутся открытыми, а транзистор Т2 окажется закрытым, т. е. выходной сигнал будет соответствовать логическому нулю (низкий уровень). Схема будет находиться в аналогичном состоянии и в том случае, если все входы схемы подсоединить к источнику электропитания (+Еп) или оставить их свободными, не присоединяя к каким-либо точкам схемы.

Если хотя бы на один из входов подать сигнал с уровнем меньше 0,4 В, то транзистор Т1 окажется закрытым, так же как и транзистор Т3, при этом Т2 будет открыт, т. е. выходной сигнал соответствует логической единице (высокий уровень). Схема будет находиться в аналогичном состоянии и в том случае, если хотя бы один из входов соединить с общей шиной (или соединить с другой схемой, имеющей сигнал логического нуля на выходе).

Уровни выходного сигнала измеряют мультиметром или осцилло — графом, имеющим усилитель постоянного тока и калибрующее устройство

(например, С1-54). Схемы измерений приведены на рисунке 4.

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАЗВЕТВЛЕНИЯ

ПО ВЫХОДУ

Важными параметрами элементов ЦВМ, определяющими возможность их пользования при построении различных устройств вычислительных машин, являются коэффициенты объединения по входу m и разветвления по выходу n.

Коэффициент объединения по входу показывает, какое наибольшее число входов может иметь данный логический элемент. Обычно этот коэффициент определяют при разработке элементов, а для пользователей элементов он считается заданным.

Коэффициент разветвления по выходу показывает, на сколько входов может быть нагружена выходная цепь данного элемента, при этом в качестве нагрузочных могут служить любые элементы из данной серии микросхем. Критерием достижения максимально допустимой нагрузки служит уменьшение (увеличение) выходного напряжения сигнала логической единицы или нуля до предельного значения (>2,4 В и <0,4 В). Коэффициент разветвления по выходу при этом определяется простым подсчетом числа входов элементов, которые подсоединены к выходу испытываемого элемента.

Рис.5. Схема измерения коэффициента разветвления по выходу (n).

Рис.6. Схемы измерения входных токов при логическом нуле на входе (а) и при логической единице на входе (б).

Схема измерения коэффициента разветвления по выходу показана на рисунке 5 (при измерении коэффициента разветвления при нулевом сигнале на выходе цепь в точке А разрывается).

ИЗМЕРЕНИЕ ВХОДНЫХ ТОКОВ

Величины входных токов элементов в совокупности с максималь — ным выходным током определяют коэффициенты разветвления по выходу. Поэтому одним из параметров, определяющих пригодность микросхем, и являются входные токи. Различают входной ток при подаче сигнала логического нуля на вход I вх"0" и входной ток при подаче сигнала логической единицы на вход I вх"1".

Для элементов серии К155 они соответственно равны:

I вх"0" = — 1,6 mА. I вх"1" = 0,04 mА.

Схемы измерения входных токов приведены на рис.6.

ИЗМЕРЕНИЕ ЗАДЕРЖКИ

ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО И ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ФРОНТОВ

Быстродействие логических элементов характеризуется средним

временем задержки распространения сигнала:

tз. ср. = (t+з. ф. + t — з. ф.) / 2 ,

где t+з. ф. — время задержки положительного фронта сигнала

Uвых. относительно соответствующего фронта сигнала Uвх.

t — з. ф. — задержка отрицательного фронта.

Время задержки распространения сигнала измеряют обычно на уровне 0,5 от полной амплитуды входного и выходного сигналов в соответствии с рис.7.

Быстродействие логических элементов, содержащих транзисторы, в основном зависит от режима работы последних. Большее быстродейс — твие имеют элементы, транзисторы в схемах которых работают без на — сыщения и, следовательно, без большой задержки их выключения. Это учитывается при разработке элементов.

Время задержки положительных и отрицательных фронтов в элект — рических параметрах указывают как предельные значения, т. е. для любого годного элемента данного типа время задержки не превышает указанного значения при любых допустимых изменениях фронтов входных сигналов и нагрузок на данный элемент.

Рис.7.Задержка распространения сигнала от входа к выходу в

логическом элементе.

На задержку фронтов сигналов влияет и неполное использование входов логических элементов. При этом задержка распространения сигналов увеличивается на 3 нс на каждый незадействованный вход.

Чтобы исключить этот вид задержки, свободные входы схем И-НЕ должны быть объединены с одним из сигнальных входов в пределах нагру — зочной способности нагружаемого элемента (каждый объединяемый вход эквивалентен единице нагрузки) или подключены к постоянному уровню напряжения +(2,4 — 4)В. При использовании элементов типа 2И-ИЛИ-НЕ необходимо у незадействованных схем "И" заземлить хотя бы один из входов, в противном случае нарушится логика работы элемента.

Схема измерения задержки распространения сигналов приведена на рис.8. Этот способ измерения задержки имеет недостатки, связанные с погрешностями в срабатывании осциллографа (задержка запуска генератора ждущей развертки осциллографа), а при исследовании сверхвысокочастотных схем этот способ вообще трудно применить. В последнем случае вместо одной исследуемой схемы включают цепочку из однотипных элементов и измеряют время задержки и последовательно соединенных схем, а затем определяют среднее время задержки на одну схему.

Рис.8. Схема измерения задержки распространения сигнала.

ГИ — генератор импульсов; 1, 2, 3 — управляющая,

исследуемая и нагрузочная схемы соответственно.

Существует еще один простой способ измерения среднего времени задержки срабатывания элементов, пригодный для схем с инвертирова — нием входного сигнала. Если закоммутировать последовательную замк — нутую цепь из нечетного числа элементов, выполняющих функцию И-НЕ (ИЛИ-НЕ), то получается так называемый "кольцевой генератор", который генерирует импульсные сигналы с периодом следования, пропорциональным времени задержки срабатывания отдельных схем к их числу. Измерив период следования импульсов у такого генератора, можно определить среднее время задержки срабатывания одного элемента по формуле:

t з. ср. = T/ 2N, где T — период следования импульсов;

N — число элементов, замкнутых в кольцо, что соответствует:

t з. ср. = (t +з. ф. + t — з. ф.) / 2.

СНЯТИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Как уже отмечалось, передаточные характеристики редко используют для интегральных схем при их эксплуатации, однако они представляют большой интерес при изучении свойств различных элементов. Передаточную характеристику можно снять в статическом режиме, подавая на вход исследуемой схемы плавно изменяющееся напряжение с потенциометра и измеряя соответствующее выходное напряжение. Существует еще один способ, заключающийся в том, что на вход схемы подается пилообразное напряжение от специального генератора, а передаточную характеристику наблюдают на экране осциллографа (рис.9а).

Схема получения на экране осциллографа передаточной характе — ристики приведена на рис. 9б.

Рис.9. Схема получения передаточной характеристики

элементов на экране осциллографа.

ГП — генератор пилообразного напряжения;

1, 2 — исследуемая и нагрузочная схемы соответственно.

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Изучить описание лабораторной работы.

2. Подготовить схемы измерения параметров элементов:

а) уровней выходных сигналов,

б) коэффициентов разветвления по выходу,

в) измерения входных токов,

г) задержки распространения сигнала,

д) получения передаточной характеристики.

Подготовка производится в соответствии с заданным вариантом. Образец одной из схем измерения параметров приведён на рис.10 (схема кольцевого генератора).

3. Подготовить таблицы измерения заданных параметров.

Рис.10.Образец домашней подготовки схемы измерений

(измерение времени задержки распространения

сигналов при помощи кольцевого генератора).

Таблица 1

Измеряемый параметр

К155ЛА4

К155ЛА6

К176ЛА7

К176ЛА8

1

2

3

1

2

1

2

3

4

1

2

U вых. «0»

U вых. «1»

Таблица 2

Измеряемый параметр

К155ЛА4

К155ЛА6

1

2

3

1

2

I вх. «0»

I вх. «1»

Таблица 3

Измеряемый параметр

К155ЛА4

К155ЛА3

1

2

3

1

2

3

4

а). Цоколевка ИС серии К155,

б). Цоколевка ИС серии К176,

в). Внешний вид корпуса микросхемы

и порядок нумерации выводов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ВНИМАНИЕ: коммутация схем выполняется только при выключенном электропитании лабораторной установки!

1. Измерить уровни выходных сигналов логической "1" и логического "0" заданных схем серий К155 и К176. Результаты занести в таблицу 1, вычислить средние значения Uвых"1" и Uвых"0".

2. Измерить входные токи заданных схем серии К155. Результаты занести в таблицу 2. Вычислить средние значения входных токов.

3. Измерить задержки распространения сигналов микросхем серии К155 методом кольцевого генератора (включить последовательно 5 – 7 элементов), рис. 10.

4. Исследовать генератор пилообразного напряжения. Включение генератора на стенде осуществляется по схеме рис.11.

Рис. 11

5. Снять передаточные характеристики заданных схем серии К176 при помощи генератора пилообразного напряжения и осциллографа. Построить семейство передаточных характеристик (см. рис.2). Определить разбросы выходных сигналов логических "1" и "0".

Отчёт должен содержать: Схемы измерений с указанием номеров исследуемых элементов. Таблицы с результатами измерений.

Контрольные вопросы

1. В чем различие между параметрами и характеристиками элементов?

2. Почему применительно к элементам машин первого и второго поколений чаще использовали характеристики, чем параметры, а паспортные данные элементов машин третьего поколения содержат чаще параметры, чем характеристики?

3. Какие параметры элементов ЦВМ можно определить по передаточной характеристике?

4. Что характеризуют сигналы U вых"0"макс и U вых"1"мин?

5. К какому типу относятся элементы серии К155?

6. Что такое коэффициенты разветвления по выходу и объединения по входу? Для каких элементов они равны единице, для каких больше или меньше единицы?

7. Что такое входные токи?

8. Чем характеризуют быстродействие элементов ЦВМ?

9. Какой наиболее простой способ измерения временных парамет — ров элементов ЦВМ?

ЛИТЕРАТУРА

1. Системотехника ЭВМ. Под ред. Г. Н.СОЛОВЬЕВА, М.: ВШ, 1975 г.

Наташа

Автор

Наташа — контент-маркетолог и блогер, но все это не мешает ей оставаться адекватным человеком. Верит во все цвета радуги и не верит в теорию всемирного заговора. Увлекается «нефрохиромантией» и тайно мечтает воссоздать дома Александрийскую библиотеку.

Распродажа дипломных

 Скидка 30% по промокоду Diplom2020

А ты боишься COVID-19?

 Пройди опрос и получи промокод