книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

выходного сигнала и временные параметры для инвертирующих ЦИС с положительной логикой представлены на рис. 12.6.

— время задержки включения — интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе ИС от напряжения логической единицы к напряжению ло­ гического нуля, измеренный на уровне 0,1 или на заданных значе­ ниях напряжения. Для инвертирующих ИС измеряют как интер­ вал между уровнем 0,1 IIох входного сигнала и уровнем 0,9 11аых выходного сигнала.

— время задержки выключения — интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе ИС от напряжения логического нуля к напряжению логиче-

Рис. 12.6, Форма входного, выходного напряжений и временные параметры инвертирующих ЦИС

ской единицы, измеренный на уровне 0,9 или на заданных значе­ ниях напряжения. Для инвертирующих ИС и 1измеряют как интер­ вал времени между уровнем 0,9 11йХ входного сигнала и уровнем 0,1 Икых выходного сигнала.

й!р — время задержки распространения сигнала при включе­ нии — интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе ИС от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровне 0,5 или на заданных значениях напряжения.

*з‘.р — время задержки распространения сигнала при выклю­ чении — интервал времени между входным и выходным импуль­ сами при переходе напряжения на выходе ИС от напряжения,логического нуля к напряжению логической единицы, измеренный на уровне 0,5 или на заданных значениях напряжения;

4.р.ср = (*з“р + *з!Р)/2 — среднее время задержки распростра­ нения сигнала — интервал времени, равный полусумме времени задержки распространения сигнала при включении и выключении ЦИС, характеризует быстродействие ИС;

“пом — импульсная помехоустойчивость характеризуется дли­ тельностью и амплитудой импульса помехи.

§ 12.5. Измерение статических параметров цифровых интегральных схем

При измерении статических параметров ЦИС целесообразно по­ следние разделить на три группы схемотехнических реализаций:

1)ЦИС, реализованные на принципе резисторно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторной логики с непосредственными связями на МОП-структурах и транзисторной логики с резисторно-емкост­ ными связями (РЕТЛ);

2)ЦИС, реализованные на принципе диодно-транзисторной ло­

гики (ДТЛ) и транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ); 3) ЦИС, реализованные на принципе транзисторной логики с

эмиттерными связями (ЕСЛ).

Рис. 12.7. Схемы измерения передаточной характеристики ЦИС

Суммарная погрешность измерения электрических параметров ЦИС определяется погрешностями задания режимов на их входах и выходах, напряжения питания, параметрами измерительных приборов, нагрузки и т. д.

Погрешность измерения статических параметров не должна пре­ вышать ± 5 %.

Схемы измерения статических параметров ниже даны на базе измерения наиболее распространенных ЦИС типов ТТЛ, ДТЛ.

Измерение передаточной характеристики. Важной статической характеристикой ЦИС является передаточная характеристика Цвых = / ( а д . Передаточную характеристику ЦИС можно измерить в статическом режиме. На вход исследуемой схемы (рис. 12.7, а) подается либо плавно изменяющееся постоянное напряжение, либо дискретные значения напряжения и при этом измеряются соответ­ ствующие значения выходного напряжения. Диапазон изменения входного напряжения — от нуля до напряжения питания Е.

Другой способ измерения передаточной характеристики заклю­ чается в том, что на вход ЦИС подается пилообразное напряжение от специальных генераторов пилообразного напряжения ГПН, а характеристика регистрируется либо на экране осциллографа (рис. 12.7, б), либо на бумажной ленте двухкоординатного само-

пишущего потенциометра. Для наблюдения передаточной характе­ ристики на экране осциллографа в качестве ГПН может быть использован выход генератора развертки осциллографа или гене­ ратор калибровочного напряжения. Сигнал прямоугольной формы («меандр») калибратора необходимо предварительно проинтегриро­ вать с помощью /?С-цепочки, а затем уже подать на вход исследуе­ мой ЦИС.

Для регистрации передаточной характеристики на двухкоорди­ натном самописце может быть использован генератор развертываю­ щего напряжения, скорость развертки которого изменяется автома­ тически в зависимости от кру­ тизны передаточной характе­ ристики.

Передаточная характери­ стика измеряется при различ­ ных значениях напряжения питания Е, температуры и соп­ ротивления нагрузки (различ­ ном числе ЦИС, аналогичных исследуемой схеме).

Близкая к реальной пере­ даточная характеристика ло­ гического элемента И — НЕ, ИЛИ — НЕ для РТЛ, ДТЛ, ТТЛ изображена на рис. 12.8.

Передаточные характери­ стики представляют большой

интерес при изучении свойств различных элементов. По ним опре­ деляются:

выходные напряжения логического нуля (У„ых и логической еди­

ницы С/оых',

рабочие точки для типового и наихудшего случаев; пороговые напряжения логического нуля (Упор и логической еди­

ницы (/„ер (координаты точек касания а, Ь на ось (/вх, для чего про­ водятся касательные к этим точкам под углом 45° к оси абсцисс); IУпор — наименьшее значение высокого уровня напряжения на входе, при котором ЦИС переходит из состояния «О» в активную

область; (Упор — наибольшее значение низкого уровня напряжения на

входе, при котором ЦИС переходит из состояния «1» в активную область;

ширина активной области ((/пор — (/пор); запас статической помехоустойчивости;

А(/пом. ст — наибольшее значение допустимого напряжения по­ мехи положительной полярности, которое вызывает переход из логической единицы в активную область;

Д(/пом. ст — наибольшее значение допустимого напряжения по­ мехи отрицательной полярности, которое вызывает переход из ло­ гического нуля в активную область;

1/тр — абсолютный порог переключения.

Для схем И — НЕ ДТЛ и ТТЛ уровень V В1ЫХ практически не зависит от числа нагружающих ИС, поскольку они почти не по­ требляют тока от ИС, выполняющей роль генератора. Наоборот,

питающего напряжения, температуры и нагрузки снимаются вход­ ные характеристики исследуемой ЦИС. Входное напряжение из­ меняется от значения логического нуля до значения логической единицы (при этом необходимо следить за изменением направле­ ния тока).

На рис. 12.10, а, б представлены виды входных характеристик соответственно для ИС И — НЕ типов; ДТЛ; ТТЛ. Участок от оси

значениями сопротивлений открытых р-п-переходов и объемных сопротивлений диодов вместе с входным сопротивлением транзи­ стора.

В точке 2 входной диод (эмиттерный переход) запирается и входной ток прекращается. Расположение горизонтального участка характеристики у ИС ТТЛ выше оси абсцисс соответствует проте­ канию тока от источника сигнала через входной эмиттерный пере­ ход, который оказывается при этих условиях в режиме инверсного включения: работает как коллектор (с очень малым коэффициентом передачи тока) по отношению к остальным переходам.

Входные токи при «0» и «1» могут быть измерены просто по схемам, изображенным на рис. 12.11, а, б. Первая ИС является

генератором. При выборе измерителей тока и напряжения жела­ тельно учесть их внутренние сопротивления, чтобы уменьшить по­ грешность измерения (лучше, если это будут цифровые приборы). Ток более точно может быть измерен и косвенным методом.

Измерение выходных характеристик. Схема измерения выходной характеристики ЦИС представлена на рис. 12.12. Для снятия зави­ симостей Щых (Дых) при 1/ах = 1/° и Шых (Дых) при Цвх = I}1 изме-

Рис. 12.11. Схемы измерения токов /®х (а), /*х (б}

няют значения и способ подключения сопротивления нагрузки (в качестве нагрузки используются либо магазины сопротивлений, либо микросхемы, аналогичные исследуемой).

Выходная характеристика ИС типа ТТЛ с простым инвертором показана на рис. 12.13. Сплошной линией показаны характеристики для значения Иш — 1/° (что практически совпадает со значением / их = 0). Пунктиром показа­ ны характеристики для Цт =

— и1. По существу это вы­ ходные характеристики про­ стейшего инвертора в закры­ том и открытом состояниях. Для расчетов существенна характеристика для значения (Увх = V0 — по ней опреде­ ляют Двых = ^чвых/<Иаш при закрытом состоянии схемы, равное практически сопротив­ лению коллекторного перехо­ да. Характеристика (/вх = 111 имеет отрицательную ветвь при 6/вых < 1/ы, переходящую

в положительную область в точке С/аш = <УКН. При Цох = Ц1 вы­ ходное дифференциальное сопротивление ИС такое же, как и у тран­ зистора: при малых значениях (УвЫ = ^кэ оно мало, а при доста­ точном значении, когда транзистор выходит из насыщения, переходит в значение, соответствующее активному режиму (пологая ветвь). ИС типа ТТЛ со сложным инвертором существенно повышает допу­ стимый коэффициент разветвления и быстродействия.

Измерение выходного тока логической единицы Д ых может быть осуществлено по схеме, приведенной на рис. 12.14. При измере-

на выходе ИС (в закрытом состоянии) обеспечивают высокий уро­ вень напряжения 1/^ых при подключенной нагрузке и измеряют ток в цепи выводов питания, при этом на все объединенные входы ИС подается напряжение С/вх.

Мощность потребления

Измерение коэффициента разветвления по выходу крмв. Важ­ ными параметрами ЦИС, определяющими возможность их исполь­

ветвления по выходу при этом определяется простым подсчетом числа входов элементов, которые подсоединены к выходу измеряе­ мой ИС. Схема измерения коэффициента разветвления по выходу представлена на рис. 12.17.

Коэффициент йрПап может быть определен также на основании входной и выходных характеристик:

Из значений Аразв и Аразв выбирается минимальное.

Измерение статической помехоустойчивости. Измерение может быть выполнено по схеме, изображенной на рис. 12.7. Необходимо измерить наименьшее значение постоянного напряжения (тока), которое, будучи добавлено (при самых наихудших сочетаниях) к значению полезного входного сигнала, вызовет появление сбоев оо всей последующей цепи логических схем.

§12.6. Измерение динамических параметров цифровых интегральных схем

Измерение временных параметров. Схема измерения временных параметров ИС дана на рис. 12.18.

выхода нагруженной ИС подаются на вход У2 осциллографа. Вид

задержки распространения сигнала в петле. Измерив период сле­ дования Т импульсов у такого генератора, можно определить сред­ нее время задержки распространения срабатывания одного ЛЭ по формуле

Временные диаграммы (рис. 12.19, б) поясняют принцип работы схемы «кольцевого генератора» и правильность формулы расчета

^3. р. ср*

. Временные параметры ИС могут быть измерены преобразованием }х в равную им длительность импульса тока, а затем с последующим преобразованием длительности импульса тока в напряжение, изме­ ряемое вольтметром, шкала которого проградуирована в наносе­ кундах.

Измерение импульсной помехоустойчивости. Основными источ­ никами импульсных помех являются колебания напряжения источ­ ников питания и прохождение сигналов от других цепей через индуктивную и емкостную связь (помеха от внешней на­ водки, генерирование в самой линии связи за счет отраже­ ния полезного сигнала от не­ согласованных концов линии и т. д.).

Для переключения ИС не­ обходимо не только определе­ ние значения амплитуды им­ пульсной помехи, но также и определенное время действия, т. е. определенная ширина импульса.

График зависимости ам­ плитуды помехи цпом, приво­ дящей к сбою (ложному пере­ ключению), от длительности

^пом этой помехи представлен на рис. 12.20. Это значит, что высо­ кочастотные схемы менее помехоустойчивы, чем низкочастотные. Количественная оценка помехоустойчивости производится по зна­ чениям порогов срабатывания (см. рис. 12.7, 12.8).

§ 12.7. Измерение параметров линейных интегральных схем

Операционные усилители. Из ЛИС наиболее широкое распро­ странение получили дифференциальные и операционные усилители (ОУ), а также видеоусилители и другие широкополосные усили­ тели. Под операционным усилителем понимается усилитель по­ стоянного тока (УПТ) с двумя входами и одним выходом. Вводя в ОУ разнообразные обратные связи, можно получать электрон­

ные устройства, реализующие различные функции преобразования входного сигнала. Типичной является подача на оба входа ОУ дифференциального (парафазного) сигнала. Эти два воздействия могут быть различными, вплоть до того, что один из входов —

строится так, чтобы обеспечить достаточно большой динамический диапазон; промежуточный каскад (или каскады) обеспечивают тре­ буемые дополнительное усиление и сдвиг уровня. Сдвиг уровня связан с тем, что ОУ строятся таким образом, чтобы при отсутствии входных сигналов выходное напряжение было бы равно нулю.

Значение отклонения Аивых от нуля при ивх =* 0 должно быть минимальным (доли милливольт в пересчете ко входу). Кроме отме­

Адиф (десятки—сотни ты­ сяч); большой коэффициент подавления синфазного сигнала ксннй„ включая изменения питающего напряжения; малая мощность потреб­ ления Р (десятки милливатт), малая асимметрия входа или, что то же, малая разность входных токов Д /вх (от долей до сотен нано­ ампер); слабое температурное влияние; малый температурный дрейф нуля (единицы микровольт на градус). Полоса пропускания операционного усилителя А/ обычно находится в области десятков тысяч килогерц и более.

Параметры ОУ многочисленны, поэтому рассматривается из­ мерение только наиболее важных.

Измерение входных и выходных параметров. Схема измерения входных и выходных параметров ЛИС с одним входом представлена на рис. 12.21. От генератора синусоидального сигнала подают на вход ЛИС плавно изменяющееся напряжение и„х до установления на ее выходе напряжения 0 ВЫХ, равного значению, указанному в паспорте. После этого измеряют электронным вольтметром пере­ менного тока значение (/вх.Макс При измерении минимального вход­ ного напряжения Ц„х,„„„ напряжение на входе ЛИС уменьшается плавно до тех пор, пока напряжение на выходе ЛИС не достигнет значения, указанного в паспорте.