автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка методов и аппаратуры контроля параметров быстродействующих прецизионных аналоговых интегральных схем

од

ргь 0&

5 >

на правах рукописи

СТРОП» КОНСТАНТИН НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ КОНТРОЛЯ 11ЛРЛМКТРОВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ 11РГЛ ЦПИ01И II,IX АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ.

Специальность 05.11.05. 1(риборы и методы шмсрспия электрических и магнитных величин.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена на кафедре "Промышленная электроника" Смоленского филиала Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: д.т.н., профессор Дьяконов В.П.

Официальные оннонентм: д.т.н., профессор Дидепко И.II.

К.1.Н., доцепт Лебедев А.А.

Ведущее предприятие: завод "Измеритель", г.Г'моиенск.

I.пни ш сопонгся

.....____________________

в 7*/чаейв&& минут на заседании Диссертационного Совета К.053.16.10 Московского энергегического института (технического университета).

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять но адресу: 111250, Москва, Г>250, ул.Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан " ¿> " 1997г

Ученый секретарь Диссертационного Совета К.053.16.10 ^^

к.т.н. доцент /З'Р/' Бородкин Е.А.

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИС ТИКА РЛЬОТЫ.

Актуальность темы диссертации. Контроль параметров является важнейшей операцией в производстве аналоговых интегральных схем (ИС). Особое значение он имеет для наиболее точных, прецизионных схем, для которых достижение наивысших показателей точности является главной целью создания и важнейшим фактором конкурентоспособности. Снижение погрешностей измерения параметров позволяет устанавливать и гарантировать более высокие характеристики выпускаемых схем, максимально реализуя их потенциальные возможности.

В результате исследований и разработок, выполненных целым рядом авторов и научных коллективов, задачи контроля большей части нормируемых параметров аналоговых ИС решены в методическом плане и обеспечены средствами измерений.

Однако измерение некоторых параметров, в том числе для таких широко распространенных ИС, как операционные усилители (ОУ), цифроана-логовые преобразователи (ЦАП) и компараторы напряжения (КН), встречает серьезные проблемы и часто производится с недостаточной точностью. Особенностью измерений времени установления выходного сигнала ОУ и ЦАП, параметров компараторов, требующих балансировки, является сильная зависимость результатов измерений от выбора условий и режима проведения измерений, моделей, описывающих исследуемые объекты и процессы, методов оценки измеряемых величин. Это обусловлено естественными ограничениями быстродействия и точности измерительного канала, действием на объект и систему измерения влияющих факторов: собственных шумов, внешних и внутрисистемных помех, термоэлектрических явлений, тепловых и электрических обратных связей, приводящих к появлению значительных погрешностей.

Цель работы заключается в исследовании и разработке методов повышения точности измерений параметров быстродействующих прецизионных компараторов, операционных усилителей и ЦАП, структурном анализе принципов построения аппаратуры контроля и разработке, на этой основе, средств контроля с повышенными точностными характеристиками.

Задачи, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Анализ погрешностей балансировки компараторов при измерении параметров. Разработка и исследование методов повышения точности измерения параметров компараторов при действии шумов и паразитных колебаний.

2. Анализ основных составляющих погрешности измерения времени установления операционных усилителей и цифроаналоговых преобразователей. Исследование и разработка методов измерения, обеспечивающих уменьшение указанных погрешностей.

3. Исследование и разработка принципов и конкретных путей построения учло» систем и шсрспия ирсмсин устппоплсмия, коюрыс позволяли бы достигать необходимых гочмостпмх показателей.

4. Практическое сочданис аппаратных и программных ерслств для комплексного автоматизированного исследования и контроля параметров ИС на этапах разработки, производства и финишного контроля.

Методы исследования базируются на современных методах проектирования и расчета электронных схем, применении методов теории автоматического регулирования для анализа систем с обратной связью, использовании методов теории вероятности и математической статистики для обработки результатов измерений и оценки погрешностей, применении компьютерного моделирования с использованием современных программных комплексов Рврюе, МаШСас!, экспериментальном исследовании разработанных методов схем и их испытании в составе опытных образцов измерительных систем.

Научная новизна.

1. Выполнена теоретическая оценка влияния шумов и самовозбуждения на погрешность измерения статических параметров компараторов. Предложены и обоснованы методы уменьшения погрешностей.

2. Проведен анализ составляющих погрешности измерения времени установления, обусловленных динамическими свойствами измерительного канала (впервые для общего случая), систематическим смещением границ зоны допуска, влиянием шумов. Предложены и исследованы методы их уменьшения.

3. Для наиболее ответственных узлов систем измерения времени установления - прецизионного формирователя перепада и входного каскада измерителя, обобщены и систематически рассмотрены варианты построения. На основании анализа погрешностей обоснован выбор оптимальных схемных конфигураций, исследованы требования к элементам и конструкции.

4. Исследованы эффекты, приводящие к затягиванию процессов установления сигналов в элементах канала измерения времени установления. Предложены модели, описывающие термоэлектрические переходные процессы и влияние эффекта оттеснения тока эмиттера в биполярных транзисторах. Проанализированы принципы уменьшения погрешностей, связанных с "медленными" составляющими установления измерительной системы и исследуемого процесса.

Практическая ценность. 1. Разработаны принципы построения и конкретные устройства измерения статических параметров прецизионных компараторов напряжения, позволяющие существенно снизить погрешности, вызванные влиянием паразитного самовозбуждения и шумов. Даны практические рекомендации по вы-

бору методов балансировки, повышению устойчивости компараторов, обнаружению явления самовозбуждения.

2. На основании полученных общих соотношений для составляющих погрешности измерения времени установления возможен качественный и количественный анализ погрешностей конкретных устройств. Выработаны и обоснованы рекомендации по использованию дополнительных операций измерения и построению алгоритмов измерения, направленных на уменьшение различных составляющих погрешности.

3. Выявлены конфигурации прецизионных формирователей перепада, в которых возможно достижение наилучшей точности формируемых сигналов. Проанализированы составляющие погрешности формирования вершины перепада и показаны пути их уменьшения. Обоснованы ограничения и требования к конструкции прецизионной части систем измерения времени установления.

4. Проведен систематический анализ структурных методов построения входных каскадов измерителей времени установления, на основании которого возможен оптимальный выбор для конкретной реализации. Разработаны рекомендации по выбору элементной базы для построения прецизионных узлов аппаратуры измерения времени установления, предложены конкретные решения для их реализации.

Реализация работы и внедрение.

На основании теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором, при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя НИР, разработаны: автоматизированная система контроля параметров гибридных микросхем АСК-ГМС, внедрена на заводе "Измеритель", г. Смоленск; система контроля параметров бесконтактных переключателей, внедрена в НИИРК, г. Москва; система контроля статических и динамических параметров прецизионных 16-ти разрядных ЦАП, прошла опытную эксплуатацию в НПО "Физика", г. Москва, целый ряд устройств и систем контроля для НИИ "Микроприбор", ПО "Альфа" г. Рига.

Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными и результатами в частных случаях, для которых известны решения, получаемые другими путями. Справедливость предлагаемых математических моделей и технических решений проверялась путем экспериментального исследования на макетах и путем успешного применения предлагаемых схем и методов измерения в измерительных системах, разработанных на кафедре промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ.

Апробация. Основные результаты дисссрпщионной работы докладывались и обсуждались на конференциях: "Радиоизмерения-91" г.Севастополь, 1991г,"ИИС-89" г.Ульяновск, 1989г., "Системы контроля параметров электронных устройств", г.Яремча, 1989г., "Системы контроля па-

раметров радиоэлектронных устройств и приборов", г.Одесса, 1988г., "Повышение быстродействия и метрологической надежности систем контроля параметров средств измерений", г.Ужгород, 1987г., "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации", г.Москва, ВНИИФТРИ, 1987г., "Конструирование и технология микроэлектронных устройств", г.Рига, 1986г., и на других всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах. В целом диссертационная работа обсуждалась на кафедре "Информационно-измерительная техника" МЭИ и на кафедре "Промышленная электроника" Смоленского филиала МЭИ.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 22 публикациях, из них 7 - авторские свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Она содержит 147 страниц основного текста, 83 рисунка, 3 таблицы, 194 библиографические ссылки на использованные источники, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, основные задачи, методы проведения исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы, приведены сведения об их реализации и апробации и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается перечень точностных параметров, которые контролируются для операционных усилителей, компараторов и ЦАП, кратко анализируется состояние средств контроля, выделяются параметры, для которых необходимо совершенствование методов и средств измерений.

Проведенный обзор показывает, что задачи измерения статических характеристик аналоговых ИС в основном решены. Исключение составляет измерение параметров компараторов, для которых, вследствие паразитного самовозбуждения и шумов, возникают значительные погрешности при осуществлении балансировки. Явление паразитного самовозбуждения КН известно достаточно давно. Возникновение при этом ступенчатообразных искажений характерно не только для компараторов. Однако количественных оценок влияния данного эффекта на погрешность измерения параметров до работ автора не проводилось. Для КН продолжают использовать те же методы и средства измерений, что и для ОУ. Поэтому актуальными являются задачи количественного анализа понижающих погрешностей, выбора, разработки и обоснования методом нопышеппя точное!и балансировки при наличии шумов и самовозбуждения.

Среди динамических параметров наибольшие проблемы вызывает измерение времени установления выходного сигнала ОУ и ЦАП. Широкий

диапазон во времени (от единиц наносекунд до миллисекунд) и точности установления (от одного до десятитысячных долей процента от перепада), уникальные требования к соотношению точности и быстродействия измерительного канала пока не позволяют найти универсальные решения указанной задачи. Как правило, требуется разработка специализированных измерительных устройств, оптимизированных для контроля отдельных типов ИС. Поэтому, при наличии в этой области большого количества практических разработок, актуальными являются теоретическое обобщение и систематическое исследование принципов и вариантов построения устройств измерения, анализ их погрешностей, разработка структурных и алгоритмических методов повышения точности измерений.

Во второй главе проведен анализ влияния паразитного самовозбуждения и шумов на погрешность балансировки КН. Предложены методы и устройства, обеспечивающие уменьшение погрешности балансировки, проанализированы условия их реализации.

Причиной паразитного самовозбуждения КН является особенность их структуры, содержащей обычно 3-4 широкополосных усилительных каскада с примерно одинаковыми постоянными времени. В результате, как показал анализ, для самовозбуждения достаточно незначительных паразитных обратных связей через емкости выход - входы, индуктивность общего вывода 11]. Паразитные колебания и шумы, подвергаясь в компараторе нелинейному преобразованию, приводят к изменению среднего значения его выходного сигнала.

Для исследования возникающих искажений, при ограничении колебаний только в выходном каскаде, предложено использовать упрощенную модель, показанную на рис.1.

Крутой спад амплитудно-частотной характеристики компаратора вблизи частоты генерации обеспечивает выполнение гипотезы фильтра, что позволяет ис1юльчо1»ат1. метод гармонической линеаризации. При однозначной передаточной характеристике нелинейного элемента из условия баланса фаз следует, что на частоте генерации петлевой коэффициент усиления линейной части: К = рос^со) - действительное число. Это позволяет абстрагироваться от реальных частотных характеристик КН и проводить расчеты для заданных действительных К.

Пример результатов расчета передаточных характеристик КН по по-• стоянной составляющей представлен на рис.2. Характеристики приобретают

лэ иа нэ

<р(11а)

иных

РосОш)

Рис. I

<

ступенчатый характер, имеются гистерезис-ные участки, связанные с возникновением и срывом колебаний [1].

В результате паразитного самовозбуждения, ширина зоны неопределенности логического состояния выхода (порог чувствительности) Л1Лп, начиная с некоторого предела:

Д1Пп а (0.6..0.7) Рос • (1)ц-и|.) (1) (иц,Ц - высокий и низкий уровни выходного напряжения), не уменьшается с ростом собственного коэффициента усиления компаратора Аи-

Аналогично паразитным колебаниям компаратор преобразует собственные шумы. В результате, даже для идеализированной модели КН с бесконечным собственным усилением, дифференциальный коэффициента усиления по постоянной составляющей выходного сигнала, при приведенном ко входу действующем значении напряжения шумов Ыш, не превысит величины:

Рис.2.

"„ »'г

и.млх

(2)

О

л/2/г U„,

В реальных компараторах шумы стимулируют более раннее возникно-vi-RT: Ш/дел ilOR0.05мВ/лел вение колебаний. Экспериментально получаемые передаточные характеристики по постоянной составляющей для прецизионного Kl I "Ремез" показаны на рис.1. Ус тановлено, что для корректного моделирования поведения компаратора в системах автоматизированного анализа, подобные PSpice, при наличии самовозбуждения максимальный niai расчета должен быть меньше ожидаемого периода автоколебаний. Желательно введение дополни тельных источников, имитирующих действие шумов.

Известен так же способ балансировки КН, который можно трактовать как балансировку по мгновенному значению или как способ с положительной обратной связью (ПОС). Он основан на одностороннем приближении к моменту первого срабатывания компаратора. Фиксация срабатывания производится за счет охвата всего компаратора или его выходного каскада [2] цепью ПОС, либо за счет применения порогового устройства и триггера. Способ исключает работу КН в активном режиме.

Проведен анализ смещения уровня срабатывания устройств с ПОС за счет шумов. При условии медленного приближения балансирующего на-

пряжения Шс(0 к порогу срабатывания Н, события, заключающиеся в появлении выбросов шумового процесса, можно рассматривать как независимые и воспользоваться пуассоновским приближением. Вероятность срабатывания на интервале наблюдения [0..Т1:

т

1>|Г|- 1-схр

1(Н-и^оЛ 2 I и,„ )

(3)

, где = (О.з ! 0.7) • Г, ехр

о

- интенсивность порождаемого нестационарного потока пересечений уровня Н, зависящая от эквивалентной малосигнальной полосы пропускания компаратора Гэ, действующего значения напряжения приведенных ко входу шумов иш. Оценки математического ожидания погрешности показывают, что величина смешения порога срабатывания, как правило, превышает (2..4)1)ш.

Таким образом, обычно используемые при балансировке оценки по среднему или мгновенному значениям выходного сигнала компаратора дают существенную погрешность относительно идеализированного случая отсутствия высокочастотных помех.

Автором предложено и обосновано использование медианы выходного сигнала компаратора в качестве оценки, позволяющей уменьшить погрешность балансировки [3].

Медиана в безынерционном нелинейном звене с однозначной характеристикой подвергается такому же функциональному преобразованию ^Ц\.|/2)> чт0 и постоянная составляющая в идеализированном случае отсутствия шумов и паразитных колебаний. Следовательно, если совпадают медиана и среднее значение до нелинейного преобразования иЛ 1/2=иА ос, то совпадают медиана выходного процесса и неискаженное значение постоянной составляющей на выходе. Подобным свойством обладают и другие оценки, построенные на основе выборочных квантилей.

Наиболее рациональным принципом построения устройств балансировки по медиане выходного сигнала КН является реализация итерационного процесса решения уравнения:

Р[и01л<1)>иоп]=Р[иоит(1)<иоп], (4) где: Р[Ц)1л{0>иоп] - средняя вероятность нахождения выходного напряжения компаратора иоит выше заданного уровня иоп, к которому производится балансировка, Р^оитСО^оп - вероятность нахождения ниже 11оп. Предложены варианты схем, в которых оценка вероятностей и проверка их соответствия (4), осуществляется либо путем непрерывного анализа, либо путем анализа по дискретным отсчетам [4]. Минимальная погрешность балансировки достигается в устройстве рис.4, реализующем двусторонний критерий знаков:

-К)

—

I

Лх

и пор

N1.

и!"

(1 СП

Л'К

11 г

(I с 12

»'К

II <■

»•к СП

о 1) (■

Ч

К

Ыных

1>ЛС

, I ( II «ЛГ

5

Ивмх Г>"

I.. !•

Рис.4.

Предложен метод балансировки, позволяющий, при наличии самовозбуждения, уменьшить погрешность из-за несимметрии динамического отклика выходного каскада. При большой амплитуде паразитных колебаний сигнал на выходе безынерционного НЭ приближался бы к прямоугольному. Скважность этого сигнала была бы равна двум при балансе по медиане. При различных скоростях нарастания и спада, форму сигнала можно аппроксимировать неравнобедренной трапецией. Выделяя моменты начала нарастания и спада, можно восстановить "исходный" прямоугольный импульс.

Предлагаются два способа восстановления: а) анализ знака производной сигнала путем его дифференцирования, б) аппроксимация сигнала по его отсчетам.

Анализ показал, что при реализации предлагаемых методов балансировки необходимо использовать пороговые устройства с быстродействием минимум в 2..4 раза выше, чем у исследуемого КН, так как эти методы базируются на использовании информации, содержащейся в переменной составляющей выходного сигнала балансируемого компаратора. Наличие быстродействующих пороговых устройств во вспомогательных устройствах балансировки делает целесообразным реализацию измерений статических и динамических параметров компараторов в едином цикле [5].

Расчеты и экспериментальные данные подтверждают существенное, до нескольких раз, уменьшение погрешности балансировки, при использовании предлагаемых методов и устройств [3].

В третьей главе проанализированы основные составляющие погрешности и пути повышения точности измерения времени установления ОУ и ЦАП.

Среди составляющих погрешности измерения времени установления выделены две, наиболее существенные и принципиально присущие процес-

су измерения. Это динамическая погрешность, обусловленная инерционностью измерительного канала, и погрешность регистрации момента вхождения в зону допуска, вызванная смещением границы зоны и действием шумов. Такое разделение соответствует разбиению модели сложной динамической системы, которой является реальный канал измерения времени установления, на два звена: аналоговую часть (в которой считаются сосредоточенными динамические искажения формы сигнала) и пороговое устройство, осуществляющее сравнение с границами зоны допуска. Измерение выделенных временных интервалов может быть выполнено, например, устройствами, предложенными автором [6,7].

Анализ динамической погрешности, возникающей из-за инерционности измерительного канала (ИК) выполнен для общего случая, для линейной и нелинейной моделей. Раннее он проводился, в том числе автором [8], для частных видов переходных процессов и переходных функций измерительного канала.

Решение для линейной модели при заданной форме входного сигнала Uex(t) и переходной функции h(t) измерительного тракта базируется на известном выражении для амплитудной погрешности в виде интеграла свертки. Представляя производную входного сигнала ИК в виде суммы значения производной в истинный момент установления ts и ее приращения: LTBxfts.t) = U'Bx(ts) + AU'Bx(ts,t), после преобразований получаем интегральное уравнение для погрешности измерения времени установления (временного сдвига) tD в виде трех составляющих:

tD = tDO+tD.PRE+tD.POST , (5) где: tpo - систематическая погрешность, определяемая только переходной функцией измерительного канала;

's +,D <*>

bo= JiKrMr* \g{r) dT , racg(T)=l-h(t) (6)

о о

tD PRE зависит от относительной величины изменения производной до момента времени ts (предыстории процесса ):

<D.PRE = YUJV I''? • +tO ~ Г)'dt (7)

о Ubxvs)

to post определяет составляющую, зависящую от относительного изменения производной уже после истинного момента установления ts:

's*l° Аиум . ,

'D.POST= J „, / ' KtS^tD~z) dr (8)

,s UBX I'J

Полученное соотношение (5) позволяет сделать выводы:

а) о наличии и величине систематической составляющей t|K), введение систематической поправки для которой позволяет в 2.3 раза уменьшить погрешность измерения tycT, либо в 1.5..2 раза снизить требования к быстродействию измерительного канала;

б) о "наихудшей", с точки зрения погрешности, форме переходного процесса, которой соответствуют максимальные значения интегралов (7), (8) (Предельным является гипотетический случай,'когда к моменту ts входной сигнал скачком достигает нижней границы зоны допуска UycT-e и затем начинает медленно приближаться к UycT.)

в) об интегральном влиянии формы переходной характеристики измерительного канала на величину погрешности, необходимости уменьшения значений интегралов tD pre, tD.posr- Для монотонных процессов и монотонных переходных характеристик измерительного канала эти интегралы отрицательны и, соблюдается соотношение: tn>ti)o-

Тракт измерения времени установления принципиально должен содержать нелинейные элементы, обеспечивающие ограничение неинформативной части переходного процесса для последующих каскадов. Если сигнал эффективно ограничен во входном каскаде, последующие могут иметь большую относительную погрешность установления. Только для входного каскада приходится в полном объеме решать сложную задачу минимизации паразитных переходных процессов, в том числе медленно затухающих.

a i нэ А2 Проведен анализ нелиней-

ной модели с элементами типа ограничения (рис.5), где А1,А2 -линейные звенья, НЭ - безынерционный ограничитель. Исходная модель преобразуется к квазилинейной (рис.6), в которой наличие ограничителя моделируется подачей на вход А2 дополнительного сигнала Этот сигнал вычитается из U1, уменьшая амплитудную погрешность относительно линейного варианта. Если интервал времени между выходом рассматриваемой модели из ограничения и моментом вхождения исследуемого сигнала в зону допуска ±в больше, чем время установления А2, эффектами, связанными с ограничением, можно пренебрегать и рассматривать канал в линейном приближении.

Несоответствие истинного значения границы зоны и уровня, при котором вхождение в зону фиксируется измерительным устройством, приводит к возникновению погрешности (временного сдвига) Atr. для результата изме-

Ubx

gl(U U1 г U2 11вых

"Л

Рис. 5.

и

Рис. 6.

рения времени установления. В общем случае временное смещение асимметрично. Верхняя и нижняя границы погрешности определяются интегральными уравнениями (9):

д =

ас =

As

U'bx (/,) Ае

U'wci's)

- J

i

I.-ai:

Uwc (',) U'm ('s)

■dz

dr

(9)

Погрешность задания уровней границ зоны допуска содержит две составляющие: погрешность ширины зоны (мультипликативную) и погрешность смещения зоны (аддитивную).

Погрешность ширины зоны допуска определяется, в основном, отличием передаточной характеристики измерительного канала от номинальной (устраняется путем коррекции методом образцовых сигналов). Смещение зоны допуска обусловлено, прежде всего, погрешностью определения установившегося значения исследуемого сигнала. Эта погрешность, кроме инструментальных, содержит методические составляющие. Погрешность метода, подобная погрешности систем с периодической коррекцией, обусловлена использованием при измерении оценок установившегося значения, полученных при предыдущих реализациях. Погрешность модели возникает из-за нарушения предположения о наличии постоянного установившегося значения UycT(oo) в исследуемом процессе.

Показана необходимость нормирования понятия " установившиеся значение " при измерении времени установления. Для нахождения действительного установившегося значения при t->» из-за медленных составляющих, вызванных, например, термоэлектрическими явлениями, могут потребоваться десятки и более секунд.

Для определения зоны, в которой процесс уже можно считать полностью уста-$ . иошшшимся, предлагается рассматривать остаточные изменения исследуемого сигнала как неинформативный влияющий параметр. Величина этого изменения не должна превышать такой границы, чтобы вызываемая погрешность измерения времени установления Ate не превысила заданных для нее пределов.

Рис.7

Рассмотрены пути уменьшения вышеуказанной погрешности модели и подобной инструментальной составляющей, вызванной остаточной ошибкой установления измерительного тракта. Установлена связь между соотношением остаточных ошибок установления и оптимальным выбором метода определения установившегося значения сигнала. Если существенна "медленная" составляющая установления измерительного канала, определение установившегося значения и коррекцию границ зоны допуска следует проводить максимально близко к ожидаемому значению времени установления. Напротив, если "медленная" составляющая присутствует в исследуемом сигнале, установившееся значение следует определять через максимальное время после переходного процесса. Наиболее сложен случай, когда существенны обе составляющие. Для измерительного канала приходится строить функцию поправок, получаемую при тестировании от образцового формирователя.

Для увеличения достоверности результатов измерения времени установления предложено дополнительно проводить проверку чувствительности к малым отклонениям ширины зоны допуска.

Абсолютная ширина зоны допуска Б обычно составляет единицы-доли милливольт и оказывается соизмеримой с уровнем шумов.

Обосновано нормирование времени установления для детерминированной составляющей исследуемого процесса. В альтернативном варианте, когда мгновенные значения сигнала должны входить в зону допуска с заданной высокой вероятностью р0—>1, минимизируется риск заказчика (ошибка 2 рода при контроле), однако, из-за более широкой полосы пропускания измерительной системы, ее вклад в шумовую составляющую скорее всего окажется преобладающим, что приведет к значительному завышению 1уст или невозможности его измерения по выбранному критерию.

Исследование показало, что метод прямого измерения времени установления, основанный на непосредственном непрерывном сравнении сигнала с границами зоны, ведет к смещению оценки результата а, при определенном действующем значении напряжения шумов:

Vш.мах й -Ти I Рн) , к невозможности измерения с заданной

вероятности грубой ошибки (промаха). Даже при очень (ним.той допустимой вероятности промаха рц-0.1 величина Цпмлч оказывается в 4..5 раз меньше ширины зоны допуска.

Лучшие результаты достигаются при применении методов измерения времени установления, использующих оценки значений сигнала в дискретные моменты времени, в сочетании со статистической обработкой отсчетов сигнала.

Количество выборок, доступных для анализа, принципиально не ограничивается, поэтому целесообразно использовать методы, более простые с

точки зрения аппаратной и программной реализации. В частности, применение оценок медианы и критерия знаков позволило реализовать простые и эффективные устройства как для фиксации установившегося значения при действии шумов [9,10,11,12], так и для построения функции, аппроксимирующей форму переходного процесса вблизи момента установления.

В четвертой главе исследуются принципы построения основных измерительных блоков систем измерения времени установления: прецизионных формирователей перепадов и входных каскадов тракта измерения параметров переходного процесса.

Генераторы прямоугольных импульсов ( перепадов ) с нерипномернп-стью вершины менее 0.1-0.01% в системах измерения времени установления необходимы для калибровки динамических характеристик измерительного тракта и, для микросхем с аналоговым входом, для задания тестовых сигналов. Получение столь малых искажений вершины возможно только с помощью специальных формировазелей.

Сравнительный анализ вариантов построения формирующих схем свидетельствует, что наилучшие значения времени установления и неравномерности вершины достигаются в конфигурациях, где формирование рабочего перепада происходит в режиме выключения ключевых элементов, при отключении от нагрузки всех других компонентов формирователя [13].

Исследованы явления, оказывающие доминирующее влияние на погрешность формирования вершины перепада: прямое прохождение сигнала из цепей управления, взаимные помехи в цели общего провода, переходные процессы в источниках питания.

Анализ допустимых величин высокочастотных искажений в управляющем сигнале показал необходимость их всемерного уменьшения, так как выходной формирователь ослабляет их в единицы, максимум в десятки раз. При малой величине допустимых искажений выходного сигнала существенным оказывается проникновение (например, через проходные емкости ключей формирователя) и сравнительно медленных изменений управляющего сигнала. К неравномерности вершины управляющего сигнала, таким образом, также предъявляются весьма высокие требования, всего примерно на порядок менее жесткие, чем к выходному сигналу формирователя.

Исследование искажений вершины из-за переходных процессов в источниках питания показывает, что возможности ее уменьшения путем увеличения емкости фильтра, совершенствования характеристик усилителя рассогласования, весьма ограничены. Выражение для максимального значения погрешности (упрощенная модель):

ДиПМАХ *А1П^ТГ ЯФ/СФ (Ю) подтверждает, что наиболее эффективный путь ее уменьшения - уменьшение изменения тока потребления Д1п.

1.050

1.000

0.960

10нс Рис. X

СН1 ИНН С ЛИНИИ

Формирователь следует строить по симметричной парафазной схеме, когда один из каналов используется для выработки полезного сигнала, второй - для обеспечения постоянства потребляемого тока и минимизации тока в обшей цепи.

Моделирование переходных процессов при передаче прецизионного перепада по короткому отрезку линии показывает, что токи в общей цепи являюн*я существенным источником искажоннй (рис.8). Для их уменьшения следует тщательно разрабатывать топологию схемы, рацио-2о¡,с нально ограничивать спектр сигналов. изгозашншать прецизионную час и. енгц-мм шмереним и иидс единого комиакшот блока с мииимальмыми габлршамк Гишмш, сплошной заземляющей илоскос11>Ю. Невозможность реализации прецизионной части системы в виде набора отдельных блоков, компонуемых в виде стойки и соединяемых кабелями иллюстрирует рис.'), покаиииающий сколь мощные искажения возникают при наличии динамической неоднородности в цепи общего провода (щели между корпусами модулей).

Проведена систематизация вариантов построения входных каскадов канала измерения значений исследуемого сигнала. Предложена классификация методов определения значений сигнала при измерении времени установления, базирующаяся на общепринятой классификации методов измерения. Эта классификация и анализ топологий схем ограничения являются базой для выбора вариантов построения входных каскадов измерителей времени установления [14].

Рассмотрены и исследованы физические явления в активных элементах, приводящие к затягиванию переходных процессов установления для малых зон допуска. (Хотя сами эти эффекты известны, их влияние на процессы установления сигналов не исследовалось или не оценивалось количественно.) Отмечено, что эффект инжекции неосновных носителей в диодах Шоттки приводит к возникновению "медленной" составляющей процесса выключения с амплитудой в доли процента от перепада. В результате, дио-

ды с р-п переходом с малой постоянной времени жизни неосновных носителей могут обеспечить меньшее время установления и меньшие остаточные погрешности установления. Показано, что эффект динамического оттеснения тока эмиттера в биполярном транзисторе, за счет зависимости коэффициента передачи от плотности тока, приводит к возникновению медленно затухающей составляющей, существенной для времени до сотен наносекунд. Предложена упрощенная модель, позволившая получить аналитическое решение, приближенно описывающее величину и форму этой составляющей. Для описания термоэлектрических составляющих переходных процессов предложена термоэлектрическая модель биполярного транзистора, параметры которой рассчитываются на основе типовых справочных данных. Она продемонстрировала хорошее совпадение с экспериментальными данными. Исследованы пути уменьшения погрешностей, вызванных рассмотренными явлениями.

В пятой главе в аннотированной форме рассматриваются практические разработки, выполненные автором. Результаты исследований, рассмотренные в главах 2 .. 4, использованы автором в ходе госбюджетных и хоздоговорных работ при создании ряда систем и устройств, предназначенных для контроля параметров прецизионных аналоговых и цифро-аналоговых микросхем различных типов: операционных усилителей, компараторов, цифро-аналоговых преобразователей, гибридных интегральных схем для авиационного оборудования [15,16,17]. Новые структурные, схемотехнические, конструктивные решения [18,19,20,21,22] и алгоритмы обработки, предложенные автором, позволили разработать системы и устройства, технические характеристики которых уникальны (на момент создания) или находятся на самом высоком техническом уровне.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Предложена модель и получены количественные оценки влияния шумов и самовозбуждения на погрешность балансировки компараторов при измерении статических параметров. Разработаны методы и устройства, на базе которых решена задача повышения точности балансировки в условиях действия щумов и паразитных колебаний.

2. Анализ динамической погрешности измерения времени установления впервые выполнен для общего случая, для линейной и нелинейной моделей. Результаты анализа являются основой для определения требований к динамическим характеристикам измерительного канала, определяют пути уменьшения динамической погрешности.

3. Обоснованы уточнения к нормированию понятия "установившееся значение", предложены методы и устройства, обеспечивающие уменьшение инструментальных и методических составляющих погрешности измерения времени установления, вызванных остаточными "медленными" изменения-

-IK

ми исследуемого процесса и переходной характеристики измерительного канала.

4. Исследование влияния шумок па погрешность шмсрскии времени установления показало, что применение методов измерения, предусматривающих непосредственное сравнение сигнала с границами зоны допуска, ведет к появлению недопустимо больших погрешностей. Обосновано нормирование времени установления для детерминированной составляющей исследуемого процесса. На основе сделанных рекомендаций по выбору методов статистической обработки отсчетов сигнала разработаны устройства, обеспечивающие повышение точности измерения времени установления в условиях, когда уровень шумов сравним или превышает ширину зоны допуска.

5. Предложенная классификация и анализ методов определения значений сигнала в устройствах измерения времени установления являются базой для систематического рассмотрения и выбора вариантов построения их входных каскадов. Анализ основных составляющих погрешности позволил определить требования к структуре, конструкции и параметрам элементов формирователей тестовых и образцовых перепадов с неравномерностью вершины менее 0.1%.

6. Рассмотрены и исследованы физические явления в элементах измерительного канала, приводящие к затягиванию процессов установления для малых зон допуска. Предложены модели и получены количественные оценки влияния процессов установления распределения носителей, термоэлектрических переходных процессов.

7. На основании теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором, при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя НИР, разработаны: ряд устройств и систем контроля для НПО "Альфа", НИИ "Микроприбор", г.Рига, автоматизированная система контроля параметров гибридных микросхем АСК-ГМС, внедренная на заводе "Измеритель", г.Смоленск, система контроля параметров бесконтактных переключателей, внедрена в НИИРК, г. Москва, система контроля статических и динамических параметров прецизионных 16-разрядных цифроанапо-говых преобразователей, прошла опытную эксплуатацию в НПО "Физика", г.Москва.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Троицкий Ю.В.,Строев К.Н.,Егоров Г.И. Влияние режима автогенерации на статические параметры компараторов // Н.т.с. "Электронная техника", серия 8,"Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания".-1982.- вып.6,- с.42-44.

2. A.c. N1372238 СССР, МКИ G Ol R 19/00. Устройство для измерения напряжения смещения стробируемых компараторов. / Ю.В. Троицкий, К.Н. Строев, Г.И. Егоров, А.К. Линга. - опубл. 1988, БИ N5.

3. Троицкий Ю.В., Строев К.Н., Егоров Г.И. Структурные методы повышения помехозащищенности устройств измерения балансных параметров усилителей. // Тезисы докладов всесоюзной конференции "Радиоизмерения-91",- Севастополь, 1991. - с.102.

4. Троицкий Ю.В., Строев К.Н. Цифровой принцип балансировки в схемах измерения статических параметров операционных усилителей и компараторов // Н.т.с. "Электронная техника", серия 8, "Управление качеством, стандартизация метрология, испытания". - 1987. - вып.1. - с.35-36.

5. A.c. N1416923 СССР МКИ G 04 F 10/00, Устройство измерения времени задержки включения компараторов напряжения. / Ю.В. Троицкий, К.Н. Строев, Е.Т. Петренко, Ю.В. Додока, А.К. Линга. - Опубл. 1988, БИ N30.

6. Строев К.Н., Строев H.H. Измерение временных интервалов с помощью быстродействующих счетчиков серии 193. // Приборы и техника эксперимента. -1991. - N3 - с.86-88.

7. Троицкий Ю.В., Строев К.Н. Измерители временных интервалов наносе-кундного диапазона. // Тезисы докладов всесоюзной конференции "Конструирование и технология микроэлектронных устройств". Рига, 1986-с.70.

8. Троицкий Ю.В., Строев К.Н. Влияние динамических характеристик измерительного канала ИС на точность измерения времени установления переходного процесса. // Измерительная техника. - 1987. - N1. - с42-43.

9. A.c. 1126898 СССР, МКИ G 01 R 29/02. Устройство измерения времени установления выходного напряжения операционных усилителей. /Ю.В. Троицкий, К.Н. Строев, Я.Т. Вейналд, В.Ф. Федючек; Опубл. 1984, БИ N44.

10. A.c. N1781626, СССР, МКИ G Ol R 19/04. Устройство измерения уровней импульсов сложной формы. / Ю.В. Троицкий, К.Н. Строев, А.И. Попов и др.; Опубл. 1992, БИ N46.

11. A.c. 1368820 СССР, МКИ G 01 R 29/02. Устройство измерения времени установления выходного напряжения операционных усилителей. / Ю.В. Троицкий, К.Н. Строев; Опубл. 1988, БИ N3.

12. A.c.1624371 СССР, МКИ G01 R 31/28. Устройство измерения времени установления выходного напряжения операционных усилителей. /Ю.В.Троицкий, К.Н. Строев, Я.Т. Вейналд; Опубл. 1991, БИ N4.

13. Строев К.Н., Строев H.H. Формирователь прямоугольных импульсов для измерения времени установления прецизионных импульсных устройств. // Тезисы докладов на конференции "Повышение быстродействия и метрологической надежности систем контроля параметров средств измерений". -Ужгород, 1987. - с.79-80.

14. Троицкий Ю.В., Строев К.Н., Строев H.H. Методы и устройства измерения времени успокоения выходного напряжения операционных усилителей. // Тезисы докладов конференции "Системы контроля параметров электронных устройств". -Яремча, 1989,- с.60.

15. Троицкий Ю.В., Строев К.Н. Принципы построения систем автоматизированного контроля аналоговых и аналого-цифровых интегральных схем. // Тезисы докладов республиканской конференции "Системы контроля параметров электронных устройств и приборов" (Секция 1). - Киев, 1986. - с.52-53.

16. Троицкий Ю.В., Строев К.Н., Строев H.H. Средства измерения контроля электрических параметров ОУ и КН. // Тезисы докладов на конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации." -М„ ВНИИФТРИ, 1987.- с.124.

17. Троицкий Ю.В., Строев К.Н., Строев H.H. Автоматизация измерения параметров аналого-цифровых интегральных схем. // Тезисы докладов на конференции "Системы контроля параметров радио-электронных устройств и приборов". - Одесса, 1988. - с.70,-71.

18. Строев К.Н., Строев H.H., Страутзепис В.В. Широкополосный усилитель с малым временем восстановления после перегрузок. // Приборы и техника эксперимента. - 1984. -N5. - с.122-124.

19. Строев К.Н., Ковалев Ю.И. Стробоскопический аналого-цифровой преобразователь. // Приборы и техника эксперимента. - 1988. - N6. - с.90-93.

20. A.c. N1401416 СССР, МКИ G 01 R 31/28. Устройство измерения электрических параметров бесконтактных переключателей. / Ю.В. Троицкий, К.Н. Строев, В.П. Денисов, И.М. Кравцов, П.Г. Жиров.; Опубл. 1988, БИ N21.

21. Троицкий Ю.В., Строев К.Н., Дмитриенко B.C. Организация участка автоматизированного контроля и испытаний гибридных микросхем. // Материалы конференции "Системы контроля параметров электронных устройств и приборов". - Киев, 1990, - с.35- 36.

22. Дьяконов В.П., Троицкий Ю.В., Строев К.Н., Дроздов В.Д. Компьютерно-измерительная система для анализа сигналов произвольной формы. // Тезисы докладов всесоюзной конференции "ИИС-89". - Ульяновск, 1989. -с.46.

Печ. ______Тираж /ftfl Заказ jjfl

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.