PL165030B1 - Sposób i układ do pomiaru szumów bramek cyfrowych układów scalonych - Google Patents

Abstract

Sposób pomiaru szumów bramek cyfrowych układów scalonych i prognozowania niezawodności tych układów, według którego w zaekranowanej przystawce y pomiarowej z obwodem polaryzująco-wymuszającym umieszcza się badaną bramkę a układ pomiarowy zasila się z baterii łącząc odpowiednio wyprowadzenia bramki z biegunami tej baterii, przy czym zapewnia się jednocześnie sprzężenie zwrotne dla sygnałów z wyjścia bramki, a wyniki pomiarów służące do ustawienia wymaganego punktu pracy bramki oraz oceny końcowej poziomu szumów odczytuje się wykorzystując zespół przyrządów do obserwacji i pomiarów szumowych, znamienny tym, że przy równoczesnej polaryzacji wejść i wyjścia badanej bramki mierzy się parametry szumowe na odcinku maksymalnego nachylenia napięciowej charakterystyki przenoszenia w punkcie pracy, gdzie sygnałszumowy ma największą wartość i otrzymane wyniki wykorzystujedla wnioskowania o indywidualnej niezawodności badanej bramki lub układu cyfrowego, w którym ta bramka występuje. 2. Układ pomiaru szumów bramek cyfrowych układów scalonych z obwodem polaryzująco-wymuszającym, obejmującym źródło zasilania, elementy rezystancyjne i pojemnościowe oraz zzespołem przyrządówobserwacyjnopomiarowych obejmującym oscyloskop i miernik selektywny z przedwzmacniaczem, znamienny tym, ze obwód polaryzująco-wymuszający ma dwustronne sprzęzenie zwrotne, realizowane przez rezystory stałe (R2) i (R3) dołączone między wyjściem badanej bramki (B) i biegunami źródła zasilania (U) .

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ pomiarów szumów bramek cyfrowych układów scalonych.

Sposób i realizujący go układ pomiarowy zapewniają pomiar szumów bramek logicznych w układach cyfrowych i dostarczają danych pomiarowych użytecznych dla indywidualnego prognozowania niezawodności cyfrowych układów scalonych.

Znana jest dotychczas metoda prognozowania niezawodności - jakości elementów elektronicznych na podstawie tzw. wskaźników niezawodności, wśród których istotne znaczenie ma poziom szumów lub określona zależność parametrów szumowych tych elementów od zewnętrznych warunków pomiaru.

Znane są także sposoby pomiaru parametrów szumowych dyskretnych elementów półprzewodnikowych, w tym tranzystorów bipolarnych i MOS, a także analogowych układów scalonych, zarówno monolitycznych jak i hybrydowych przy wykorzystaniu zaekranowanych przystawek pomiarowych z obwodami polaryzująco-wymuszającymi i przyrządów pomiarowych do pomiaru sygnałów zmiennych o niskich poziomach. Obwody te przy odpowiednim połączeniu wyprowadzeń badanych obiektów z biegunami baterii zasilającej i użyciu elementów biernych zapewniają wymaganą polaryzację tych obiektów, w niektórych przypadkach przy zastosowaniu sprzężenia zwrotnego, podczas gdy przyrządy pomiarowe umożliwiają pomiar małych sygnałów w wybranych pasmach częstotliwości.

165 030

Te znane metody nie mają bezpośredniego zastosowania do cyfrowych układów scalonych ze względu na ich odmienny sposób działania oraz brak możliwości lub tylko ograniczoną możliwość . wydzielenia do pomiaru poszczególnych elementów układu scalonego, co i tak nie daje informacji o jakości układu jako całości. Tą samą wadą odznacza się metoda pośrednia, polegająca na wykorzystaniu specjalnie dodanych elementów testowych.

Znane jest także wykorzystanie inwerterów CMOS - bramek NOT z zewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym wyjście - wejście jako liniowych wzmacniaczy małych sygnałów zmiennych oraz zastosowanie inwerterów i innych bramek CMOS w podobnych układach pracy jako buforów wyjściowych lub elementów układów generacyjnych. Układy takie nie są jednak bezpośrednio przydatne do pomiaru szumów.

Znany jest również pośredni pomiar szumów na tle prądu zasilania układu, co jest jednak niedogodne od strony pomiarowej i dostarcza ograniczonych informacji o układzie.

Istotą sposobu według wynalazku, sposobu pomiaru szumów użytecznego przede wszystkim dla badań korelacji poziomu szumów z niezawodnością cyfrowych układów scalonych, zwłaszcza CMOS, jest to, że przy równoczesnej polaryzacji wejść i wyjścia badanej bramki parametry szumowe mierzy się na odcinku maksymalnego nachylenia napięciowej charakterystyki przenoszenia w punkcie pracy, gdzie sygnał szumowy ma największą wartość. Otrzymane wyniki wykorzystuje się dla wnioskowania o indywidualnej niezawodności badanej bramki lub układu cyfrowego, w którym ta bramka występuje.

Układ pomiarowy według wynalazku zawiera zespół przyrządów obserwacyjno-pomiarowych małych sygnałów elektrycznych w wymaganych zakresach częstotliwości oraz obwód polaryzacyjnowymuszający w formie przystawki pomiarowej z dwustronnym sprzężeniem zwrotnym, realizowanym przez rezystory stałe dołączone między wyjście badanej bramki logicznej i bieguny źródła zasilania oraz dzielnik potencjometryczny, dołączony na wejściu tej bramki i kondensatory odsprzęgające, dołączone między wejściem badanej bramki a jednym z biegunów źródła zasilania.

Sposób i układ pomiarowy według wynalazku pozwalają na uniknięcie wad znanych metod pośrednich, stosowanych w przypadku badania szumów w układach cyfrowych oraz umożliwiają pomiar poziomu szumów w cyfrowych układach scalonych o różnym stopniu złożoności. Wynika to z takich zalet jak możliwość wyboru jako obiektu pomiarowego, jednej lub więcej bramek dostępnych z zewnątrz w danym układzie cyfrowym, maksymalne pobudzenie energetyczne badanego obiektu dzięki ustaleniu punktu pracy na odcinku maksymalnego nachylenia jego charakterystyki przenoszenia i stabilność regulowanego punktu pracy uzyskana przez zastosowanie dwustronnego sprzężenia zwrotnego.

Sposób i układ pomiarowy według wynalazku są bliżej objaśnione na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, który pokazuje schemat układu do pomiaru wartości skutecznej napięcia szumów badanej bramki logicznej CMOS realizującej funkcję NOR.

Sposób pomiaru szumów bramek cyfrowych układów scalonych polega na pomiarze poziomu ich szumów własnych po ustaleniu punktu pracy odpowiadającego największemu nachyleniu charakterystyki przenoszenia bramki i uznaniu tak otrzymanej wartości szumów jako charakterystycznej dla danej bramki i/lub związanego z nim układu scalonego w celu wykorzystania do indywidualnego prognozowania ich niezawodności.

Układ pomiarowy składa się z części zasilającej z baterią U, obwodu polaryzującowymuszającego w formie przystawki pomiarowej z dwustronnym sprzężeniem zwrotnym, wyposażonej w potencjometr R1 stanowiący dzielnik potencjometryczny, kondensatory C1 i C2, badaną bramkę B oraz rezystory R2 i R3, a także z zespołu obserwacyjno-pomiarowego posiadającego oscyloskop Osc i nanowoltomierz selektywny nV z przedwzmacniaczem A.

Dla wyeliminowania wpływu zakłóceń zewnętrznych przystawka pomiarowa z obwodem polaryzująco-wymuszającym i badaną bramką jest ekranowana, a zasilanie jest doprowadzane z baterii U lub akumulatora.

Badaną bramkę B po umieszczeniu w przystawce pomiarowej trwale wprowadza się w stan maksymalnego wzmocnienia przez równoczesną polaryzację wejść i wyjścia tej bramki. Stan ten uzyskuje się wskutek dołączenia między wyjście badanej bramki B a dodatni biegun zasilania ( + )

165 030 rezystora R2 na przykład korzystnie o wartości w kiloomach 2,5 K Ω lub mniejszej oraz między wyjście bramki B a ujemny biegun zasilania (-) rezystora R3, korzystnie o wartości w kiloomach

2,5 K Ω lub mniejszej, a jednocześnie polaryzuje się wejścia badanej bramki B za pomocą zamykającego pętlę sprzężenia zwrotnego potencjometru R1, stanowiącego dzielnik potencjometryczny, korzystnie o wartość 10 K Ω, w ten sposób, aby sygnał szumowy obserwowany na oscyloskopie Osc lub nanowoltomierzu selektywnym nV miał największą wartość. Dla zwierania zakłócających przebiegów zmiennych wielkiej częstotliwości do źródła zasilania U, korzystnie o napięciu 6V dołącza się kondensatory Cl i C2 przykładowo korzystnie o wartościach w nanofaradach odpowiednio 2200 nF i 1 nF. Sygnał z wyjścia brarnk i B przekazuje si ę do eespołu przyrząóów obserwacyjno-pomiarowych. Na oscyloskopie Osc obserwuje się przebiegi zmienne i wstępnie ocenia poziom sygnału szumowego. Wartość skuteczną napięcia szumów w ustalonym paśmie częstotliwości mierzy się za pomocą nanowdltdmierza selektywnego nV z przeąwzmacnikczem A.

Osc

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru szumów bramek cyfrowych układów scalonych i prognozowania niezawodności tych układów, według którego w zaekranowanej przystawce pomiarowej z obwodem polaryzująco-wymuszającym umieszcza się badaną bramkę a układ pomiarowy zasila się z baterii łącząc odpowiednio wyprowadzenia bramki z biegunami tej baterii, przy czym zapewnia się jednocześnie sprzężenie zwrotne dla sygnałów z wyjścia bramki, a wyniki pomiarów służące do ustawienia wymaganego punktu pracy bramki oraz oceny końcowej poziomu szumów odczytuje się wykorzystując zespół przyrządów do obserwacji i pomiarów szumowych, znamienny tym, że przy równoczesnej polaryzacji wejść i wyjścia badanej bramki mierzy się parametry szumowe na odcinku maksymalnego nachylenia napięciowej charakterystyki przenoszenia w punkcie pracy, gdzie sygnał szumowy ma największą wartość i otrzymane wyniki wykorzystuje dla wnioskowania o indywidualnej niezawodności badanej bramki lub układu cyfrowego, w którym ta bramka występuje.
2. 2. Układ pomiaru . szumów bramek cyfrowych układów scalonych z obwodem polaryzującowymuszającym, obejmującym źródło zasilania, elementy rezystancyjne i pojemnościowe oraz z zespołem przyrządów obserwacyjno-pomiarowych obejmującym oscyloskop i miernik selektywny z przedwzmacniaczem, znamienny tym, że obwód polaryzująco-wymusząjący ma dwustronne sprzężenie zwrotne, realizowane przez rezystory stałe (R2) i (R3) dołączone między wyjściem badanej bramki (B) i biegunami źródła zasilania (U) oraz dzielnik potencjometryczny (R1) dołączony na wejściu badanej bramki (B) dla ustalenia punktu pracy badanej bramki na charakterystyce przenoszenia w obszarze maksymalnego wzmocnienia przy najwyższym poziomie szumów i kondensatory odsprzęgające (C1) i (C2) dołączone pomiędzy wejściem badanej bramki (B) a jednym z biegunów źródła zasilania (U), przy czym sygnał z wyjścia badanej bramki (B) jest doprowadzony do zespołu przyrządów obserwacyjno-pomiarowych.