Разработка генератора сигналов на цифровых микросхемах

в виде _____

у=-х1 х2 х3 ;

На рис.2.6 (б) приведена временная диаграмма работы элемента на три входа

(здесь Uн ,Uв - нижний и верхний уровни напряжений, соответствующие

состояниям «0» и «1» ).

2.7. Расчет нагрузочной способности элемента ТТЛ

Нагрузочная способность элемента определяется коэффициентом

разветвления Краз, характеризующим количество аналогичных элементов,

подключаемых к выходу данного элемента. На рис.2.6 (а) приведена схема для

определения Краз . Принимаем , что у транзистора UБЭнас = 0,7 В ; U Кэнас

= 0,3 В ; для ПМЭТ UБКМ =0,7 В ;

Cчитая все транзисторы идентичными, пренебрегаем объемным

сопротивлением базы и коллектора. При включенном элементе на всех входах -

напряжение U1вх , на выходе - напряжение U0вых .

Для тока базы МЭТ

IБМ=(Uип - Uбкм - UБЭнаст1 - UБЭнаст3) /R1;

(1)

I1КМ= Iбнас т1 =I1БМ(1+Кобbi)

(2)

где bi - инверсный коэффициент усиления по току для МЭТ

Iк1 = (Uип - UБКМ - UБЭнаст1-UБЭнаст3)/R2 ;

(3)

IЭ1=Iк1+Iб1=(UМП -Uкэнаст1-

UбэнасТ3)/R2+(Uип-

- UБКМ-UБЭнаст1-UБЭнаст3)/R1(1+Кобbi);

(4)

IR3=UБЭнаст3/R3 ;

(5)

IБнасТ3 =IЭ1-IR3=(Uип-UКЭнасТ1-UБЭнасТ3)/R2+(Uип - UБКМ-UБЭнасТ3)/ R1

(1+Кобbi)-

(UБЭнасТ3)/R3 (6)

Ток коллектора насыщенного транзистора

IкнасТ3=Iн=Краз I0вх=Краз[1+(КобN-1)bi]=

Краз[(Uип-UБЭМ-UКЭнасТ3)]/R1[1+(КобN-1)bi] , (7)

где IН1=IН2=...=I0вх=[1+(КобN-1)bi] (8)

Коэффициент разветвления по выходу определим из условия

IБнасТ3=КнасТ3 IкнасТ3/bmin . (9)

Подставив (6) и (7) в (9) получим

[pic][pic](10)

Оценим числовое значение Краз в нормальных условиях при следующих исходных

данных:

Uuп = 1 к Ом, R4 = 150 Ом; [pic] (для МЭТ);

Кнас = 1,5; [pic]; [pic] (для

транзисторов Т1-Т3). После подстановки этих значений в (10)

получим Краз = 38.

Существует другой упрощенный вариант определения Краз исходя из

максимального допустимого тока коллектора транзистора Т3.

В этом случае можно записать

Краз = Ik max / I0вх

(11)

Приняв Ik max = 30мА, из (8) находим входной ток I0вх = 1,35 мА.

Тогда из (11) Краз, вычисленное по (10) и (11), значительно больше типовой

величины Краз = 10, указываемой в ТУ на элементы ТТЛ, что обусловлено

влиянием параметров быстродействия на величину Краз. Следует отметить что

для выключенного элемента, поэтому рассматривать соответствующие

аналитические выражения целесообразно.

2.8. Выходная характеристика

Выходная характеристика элемента ТТЛ- типа представляет собой

зависимость выходного напряжения, т.е. Iвых = f (Uвых). Выходная

характеристика снимается при отключенной нагрузке для двух состояний

элемента рис.(2.8. в ) (элемент включен, элемент выключен).

Элемент включен. При этом состоянии транзистор Т3 открыт, на выходе

элемента напряжения U 0 вых на всех входах напряжение U1 вх.

Элемент выключен. При этом состоянии транзистор Т3 закрыт, на выходе

элемента напряжения U1 вых и хотя бы одном входе - напряжение U0 вх . В

процессе снятия выходной характеристики подключаем внешнее регулирование по

напряжению источника питания UИП = U вых , на выход элемента в точку у рис

(2.8.в ) . Между точками включаем миллиамперметр для измерения тока Iвых.

За положительное напряжение выходного тока принимаем такое направление

,когда выходной ток входит в элемент. Изменяя напряжение Uвых и замеряя ток

Iвых , построим выходную характеристику. На рис (2.8 е) приведена выходная

характеристика элемента для двух его состояний включен ( на выходе "0" ),

выключен ( на выходе "1" ). Выходную характеристику проанализируем .

Элемент будет включен , если транзистор Т3 открыт, а транзистор Т2

и диод Д закрыт. Из рис. (2.8.е ) видно, что выходная характеристика

включенного элемента совпадает с выходной характеристикой (ВАХ)

транзистора Т3. На характеристике можно выделить ряд участков, характерных

для режима работы транзистора Т3;участок 1 соответствует насыщенному режиму

работы транзистора участок один соответствует насыщенному режиму работы

транзистора Т3 ( при дальнейшем увеличении Uвых ); участок 2- активному

режиму работы транзистора Т3 (при дальнейшем увеличении Uвых ); участок 3-

инверсному активному режиму работы транзистора Т3 (при уменьшении

напряжения, когда Uвых принимает отрицательные значения) :

Элемент будет выключен, если транзистор Т3 закрыт, а транзистор Т2 и

диод Д открыты . На рис. (2.8.е ) можно выделить на характеристике ряд

участков , характерных для различных режимов работы транзистора Т2; участок

4 соответствует режиму отсечки транзистора Т2 ( напряжение Uвых> U1 вых);

участок 5 - активному режиму работы Т2 ( Uвых< U1вых ) участок 6 - режиму

насыщения транзистора Т2 ( Uвых 3,6 В транзистор Т2 находится в режиме отсечки и Iвых = 0

( т.е. Iвых практически равен тока утечки закрытых транзисторов Т2 и Т3 ).

На участке отрицательных значений напряжений Uвых ( участок 3 ,рис 3.5..е

) вид выходной характеристики определяется шунтирующим действием

паразитного диода коллектор - подложка транзистора Т3.

2.9. Методы оценки надежности

Основной метод оценки надежности элементов цифровых приборов

статический.

В его основе находятся испытания партии изделий на срок службы.

Поясним сущность этого метода. Если в партии элементов из N штук за время t

произошло n отказов, то вероятность отказа в единицу времени определяется

выражением вида

= n / (Nt) (1)

Величину l-называют средней частотой или интенсивностью отказов. Зная

величину l, можно оценить вероятность безотказной (исправной) работы

элемента в течение заданного времени эксплуатации по формуле.

Р = е -l t (2)

Из (2) следует, что каким бы малым ни было значение l,с течением

времени вероятность безотказной работы приближается к нулю.

Среднем временем безотказной работы элемента (среднем сроком службы)

принято считать величину, получаемую из условия

lt =1 tср = 1 / l (3)

Например, если l = 10-5 1/ч, то tср = 105 ч (т.е. около 10 лет).

Многочисленными экспериментально- статистическими данными

подтверждаются, что величина l не постоянная, она меняется с течением

времени рис.2.9.1. Кривую зависимостью l=f(t) можно разделить на три

участка: участка 1, на котором выявляются грубые ошибки при изготовлении

элемента, загрязнении поверхности и др.; участок 2, на котором l = const,

т.е. отказы обусловлены случайными, неконтролируемы причинами; участок 3,

на котором l снова возрастает в результате неизбежного старения элементов,

т.е. появления тех химических и физико-химических процессов, от которых

неизбежна ни одна реальная структура и которые связаны с причинам действия

элемента.

Применительно к элементам ЦВМ и цифровых и цифро-аналоговых

преобразователями такими принципиальными факторами являются взаимная

диффузия, разнородных материалов, рациональные дефекты, обусловленные

космическим излучением, и.т.п. Средний срок службы (3) соответствует

границе между участками 2 и 3. Участок 1 обычно устраняется путем

тренировки элементов. Тренировка элементов состоит в том, что после

проведенных испытаний (механических, электрических, климатических и др.)

элементы работают в течение нескольких десятков или сотен часов нормальных

эксплуатационных условиях и отказавшие за это время элементы устраняется.

В настоящее время интенсивность отказов элементов и БИС лежит в

пределах 10-8 - 10-9 1/ч. Для достоверной оценки величины l необходимо

при испытаниях "дождаться" хотя бы 2-3 отказов. Тогда из (1) при n =2ё3

следует, что время испытаний для партии N = 103 штук составит десятки лет.

Ставить же партии элементов в количестве 104 - 105шт. на испытания

экономически невыгодно.

В таких случаях используется метод ускоренных испытаний, основанный

на законе Аррениуса, согласно которому скорость J химических и физико-

химических процессов связан с температурой экспоненциальной зависимостью

вида

J » е-( Wa / K)T

где Wa - энергия активизации процесса.

Отсюда следует, что средний срок службы изделия при повышенной

температуре будет существенно меньше, чем при нормальной:

ty = tн ехр [-(Wа / к) (TH-1 - T-1y) ],

(4)

где индексы "н", "у" относятся к нормальной и повышенной температуры.

Проведя ускоренные испытания при повышенной температуре, фиксирует

отказы изделия, добиваясь их появления за разумное время.

Полученное значение lу пересчитывают к нормальной температуре с

помощью выражений (4) и (3). Используя, например для испытаний элементов

ЦВМ температуру +2500С можно ускорить оценку величины l в сотни раз. Однако

при значениях l Ј10-9 1/ч и такое ускорение оказывается недостаточным.

Таким образом, на современном этапе развития технологии изготовления

элементов ЦВМ обычные статистические методы надежности неприемлемы. Поэтому

в последние 5-10 лет большое внимание уделяется разработке новых физических

методов оценки и прогнозирования надежности.

Под такими методами понимаются индивидуальные исследования структуры

готовых элементов цифровых устройств с целью выявления дефектов на

возможность отказа, а также исследования отказавших элементов с целью

выяснения причин отказа и выяснения соответствующих усовершенствований в

технологию их производства.

В отличие от статических методов, которые относятся к категории

разрушающих (поскольку в их основе лежит отказ изделия), физические методы

являются неразрушающими, а часто и бесконтактными. К их числу относятся

тепло ведение (обследование в инфракрасных лучах), рентгеноскопия,

электронная микроскопия, а также измерение избыточных шумов, которые

характеризует качество контактов.

Все перечисленные новые методы связаны с использованием сложного,

дорогостоящего оборудования, по этому их нельзя считать установившимся в

практике использования в широком плане. Однако, учитывая неприемлемость

статических методов, они, по видимому, займут со временем ведущее место

при оценке надежности элементов цифровых устройств, особенно БИС.

Интенсивность отказов снимается с повышением степени интеграции,

поскольку производству БИС свойствен более высокий технологический уровень.

Одновременно меняется роль различных факторов отказов. Так дефекты

металлизации и погрешности диффузии, которые у простых элементов цифровых

устройств, ЦВМ, (т.е. элементов малой степени интеграции) занимали

значительное место, у БИС выступают на второй план, поскольку резко

уменьшается количество внешних соединений.

Говоря о статическом методе оценки надежности, подразумевали, что

результаты испытаний конкретной партии элементов ЦВМ и цифровых устройств в

виде формулы (1) действительны для других, аналогичных партий. Однако это

утверждение справедливо только в том случае, когда другие партии элементов

изготовляются точно по той же технологии, что и испытанная партия. Отсюда

следует важный вывод: Высокая надежность элементов ЦВМ обеспечивается в

первую очередь стабильностью технологического цикла. Любое, даже

прогрессивные, изменение технологического цикла может вызвать (хотя бы

временное) снижение надежности элементов ЦВМ и цифровых устройств.

Влияние температуры на статистические и динамические

характеристики и параметры элементов.

Изменение температуры окружающей среды влияет определенным на

статистические и динамические характеристики и параметры элементов.

Рассмотрим это влияние на нескольких примерах. На (рис.2.9.2.а) показана

влияние температуры на передаточную характеристику. Uвых= f (Uвх) элемента

И-НЕ транзисторно-транзисторной логики для серии 133 и 155. Из рисунка не

трудно оценить влияние температуры на основные статистические параметры,

определяемые по передаточной характеристике.

Так как с увеличением температуры происходит сдвиг характеристики в

лево, то, помехоустойчивость элемента уменьшается. Также видно что

повышением температуры возрастает уровень "0" U0вых и тд.

На (рис.2.9.2.б) показано влияние температуры на выходную

характеристику элемента И-НЕ Iвых= f(Uвых) транзисторно-транзисторной

логики серии 133 и 155 для случаев, когда элемент включен и выключен. Из

рисунка следует, что с повышением температуры возрастает соответствующие

токи для заданных напряжений. На (рис.2.9.2.в) показан зависимость

некоторых динамических параметров (задержки распространения сигнала при

включении t1,0зд р и выключении t0,1зд р элемента)от температуры.

Из зависимости следует что с ростом температуры t1,0зд р несколько

уменьшается, а время t0,1зд р наоборот, увеличивается. Указанные изменения

особенно заметен в диапазоне температур 20-1200С.

рис.2.9 2(а, б, в, г.)

В таблице 1 приведены результаты влияния температуры не некоторые

статические параметры элемента ИЛИ-НЕ /ИЛИ эмиттерно-связанной логики серии

К500.

На (рис2.9.2.г) показаны зависимости некоторых динамических

параметров (t1,0зд р , t0,1зд р) от температуры для элемента ИЛИ-НЕ /ИЛИ

ЭСЛ серии К500.

Из анализа изложенного сделать вывод, что изменение температуры

окружающей среды ухудшает статические и динамические параметры элементов

цифровых устройств, что необходимо учитывать в процессе эксплуатации

цифровых устройств.

Табл.1.

|П а р а м е т р ы |Температура, 0С |

| |-10 |+25 |+75 |

|Входное напряжение "0" U0вх, В |-0,84 |-0,81 |-0,72 |

|Входное пороговое напряжение "0" | | | |

|U0вх, пор,,В |-1,145 |-1,105 |-1,045 |

|Входное пороговое напряжение | | | |

|"1" U1вх, В |-1,490 |-1,475 |-1,45 |

|Входное напряжение "1" U1вх,В |-1,87 |-1,85 |-1,83 |

|Входное максимальное напряжение "0" | | | |

|U0вых ,пор, В |-0,84 |-0,81 |-0,72 |

|Выходное пороговое напряжение "0" | | | |

|U1вых, пор, В |-1,02 |-0,98 |-0,92 |

|Выходное максимальное напряжение "1" | | | |

|U1вых, пор, В |-1,67 |-1,65 |-1,625 |

| | | | |

|Выходное пороговое напряжение "1" | | | |

|U1вых ,пор, В |-1,645 |-1,63 |-1,605 |

3. Экономическая часть

1.Экономическая обоснованность выбранной темы.

2.Баланс рабочего времени.

3.Тарифные ставки действующих лиц.

4.Методики калькулирования себестоимости.

Ограниченность схемы средств, которую заказчик может ассигновать на

создание схемы управления объектом, заставляет его искать наиболее

эффективный вариант решения наставленной задачи. А это предполагает

необходимость сравнения того, во что обходится и что дает ему внедрение

суммы управления.

При внедрение систему управления производственным объектом ожидается,

что оно положительно скажется на показателе, характеризующем работу объекта

- критерии его эффективности. При внедрении схемы управлении на

непроизводственном объекте (в научно-исследовательском институте, в органах

здравоохранения, просвещения и.т.п.) также полезно убедится в том, что

внедренная схема не ухудшит, а улучшит характеризующие работу объекта.

Вопросы оценке экономической эффективности возникает при сравнении

старой и проектируемой схемы управления для схемы управления для

действующего объекта, пуле сравнении ряда вариантов решения для

проектируемого и аналогичного действующего объектов. В случае же

проектирования схемы управления для нового объекта. Не имеющего аналогов;

следует считать общую народно хозяйственную эффективность от внедрения

нового производства с современной схемой управления им без выделения

эффективности собственно схемы управления.

В качестве базы для расчета эффекта принимается показать

производственно -хозяйственной деятельности объекта на год внедрения схемы

управления . Если сравнивается несколько вариантов системы, обеспечивается

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5