Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ путем улучшения средств измерения для технологического контроля изделий микроэлектро ники 13
1.1« Вводные замечания 13
1.2. Место и роль контрольно-измерительных операций в общем технологическом цикле производства микросхем 14-
1.3. Анализ путей агрегатировэнного построения автоматизированных средств измерения для технологического контроля изделий микроэлектроники 21
1.4. Систематизированный обзор способов и средств операції онного интегрирующего преобразования электрических величин для систем технологического контроля изделий микроэлектроники 26
Основные результаты и выводы 55
Глава 2. Исследование динамической точности операционных интегрирукщих преобразователей 55
2.1. Вводные замечания 55
2.2. Анализ динамических свойств интегрирующих преобразователей следящего уравновешивания с нефинит- . ной ИПФ при входном воздействии типа меандра 56
2.3. Исследование избирательных свойств интегрирукщих преобразователей с Финитной ИПФ в режимах синх-. ронного и фазового детектирования 68
2.4. Разработка динамической модели квадратичных интегрирующих преобразователей 50
2.5. Анализ влияния внутрисхемных шумов на результат преобразования операционных интегрирующих преоб- разователей как динамических систем 93
Основные результаты и выводы 102.
Глава 3. Разработка и исследование новых алгоритмов функционирования и базовых структур операционных ИШ 105
3.1. Вводные замечания
3.2. Разработка и исследование алгоритма функционирования и базовой структуры линейного ИЇЇН следящего уравновешивания с не^инитной ИЇЇФ 105
3.3. Разработка и исследование алгоритмов функционирования и базовых структур линейных ИПН уравновешивающего преобразования с финитной ИПФ 116
3.4. Разработка и исследование алгоритмов функционирования и базовых структур квадратичных ИПН109
Глава 4. Исследование путш улучшения основшх метроло гических характеристик операционных ипн и разра ботка конкретных рекомендаций по их совершенство ванию 150
4.1. Вводные замечания 150
4.2. Исследование возможности повышения входного сопротивления операционных ИПН І5І
4.3. Разработка операционных ИПН сигналов низкого уровня (снижение порога чувствительности) 162.
4.4, Исследование возможности уменьшения времени пре образования ИНН при сохранении свойства подавле ния помех нормального вида с частотой промышлен- . ной сети.
4.5. Разработка рекомендаций по улучшению других мет- рологиче ских характеристик 194
Основные результаты и выводы 200
Заключение 203
Литература 240
Приложение
- Место и роль контрольно-измерительных операций в общем технологическом цикле производства микросхем
- Анализ динамических свойств интегрирующих преобразователей следящего уравновешивания с нефинит- . ной ИПФ при входном воздействии типа меандра
- Разработка и исследование алгоритмов функционирования и базовых структур линейных ИПН уравновешивающего преобразования с финитной ИПФ
- Исследование возможности повышения входного сопротивления операционных ИПН
Введение к работе
ХХУІ съезд КПСС в качестве дальнейшего основного пути развития национальной экономики в условиях современного научно-технического прогресса определил интенсивный путь ее развития. Обеспечение интенсивных темпов развития науки, техники и производства невозможно без всесторонней комплексной автоматизации и механизации производственных процессов.
Съездом, в частности, поставлена задача "...организовать производство приборов и средств автоматизации для контроля качества продукции" [і].
Важнейшим резервом повышения качества и эффективности производства является обеспечение производственных процессов высокопроизводительными совершенными средствами технологического контроля. Как отмечалось в [2], в действующих системах управления качеством основное внимание обращается на осуществление организационных и экономических мероприятий, на техническое и технологическое обеспечение производства, в то время как вопросы разработки и оснащения предприятий автоматизированными средствами контроля, измерения и испытания находятся в наименее развитом состоянии. Этот факт резко снижает эффективность систем управле-
'ния качеством, так как по словам академика В.М.Глушкова, "..даже одно небольшое звено единой технологической линии, оставленное без внимания, может свести на нет результаты автоматизации всех остальных звеньев" [з].
Достаточно отметить, что в настоящее время трудоемкость контрольных и испытательных работ в производстве радиоэлектронных изделий составляет более 20$ общей трудоемкости их изготовления.' Стоимость всех видов испытаний и контроля для большинства фирм США составляет до 20$ всех затрат, достигая в некоторых случаях 30$ [4].
Из вышесказанного следует, что в числе важнейших разервов улучшения качества продукции видное место занимает повышение уровня техники измерений. Без измерений невозможно объективно проконтролировать параметры исходных материалов, технологических режимов, готовых изделий, а, следовательно, невозможно и управлять качеством продукции.
Уровень и опережающее развитие техники измерений и контроля определяют дальнейший прогресс всех отраслей производства. По меткому выражению специалиста фирмы<$Ш^и-<&сЛа/1С1- (США) Чарльза Х.Хауза, "изготовители должны проектировать и выпускать измерительные приборы, которые по своим характеристикам опережают самый современный уровень техники, коль скоро они предназначены этот уровень измерять".
В огромном арсенале средств современной измерительной техники ведущее место принадлежит электроизмерительной технике. Это обусловлено тем, что в ряде отраслей народного хозяйства, например, энергетике, радиоэлектронике и др., широко используются измерения электрических величин. Но еще большее значение они приобретают в связи с тем, что многие неэлектрические величины легко измеряются электрическими методами, что весьма удобно для
регистрации, обработки и передачи информации на расстояние. Основными требованиями, относящимися непосредственно к электроизмерительной технике, являются улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик, повышение надежности, а также расширение функциональных возможностей и совместимость при системном использовании.
Современный этап построения приборов, машин и оборудования характеризуется массовым переходом на микроэлектронную элементную базу, предусматривающим как разработку новых, так и дальнейшее увеличение выпуска изделий на базе аналоговых и цифровых микросхем большой степени интеграции. Наряду с широким использованием универсальных микросхем, выпускаемых специализированными отраслями, предусматривается применение ограниченной номенклатуры специальных интегральных микросхем и микросборок. То есть микросхемы становятся одним из самых массовых ЭРЭ,
Успешное решение проблемы обеспечения производства изделий микроэлектроники и перехода на микроэлектронную элементную базу контрольно-измерительным оборудованием (КИО) возможно лишь при комплексном подходе, учитывающем требования всех этапов технологии. Первоочередным направлением в этой проблеме несомненно является метрологическое обеспечение производства микросхем и, в первую очередь, создание аппаратуры для измерения и контроля электрических параметров исходных материалов, технологических процессов производства и готовых микросхем.
Очевидно, что наиболее эффективным подходом при планомерной разработке комплексов средств измерения и контроля для типовых технологических процессов производства изделий микроэлектроники с целью широкого и централизованного оснащения предприятий КИО является создание агрегатированного комплекса средств технологического контроля (АСТК) как одной из ветвей Государственной
системы промышленных приборов и средств автоматизации [б]. Создание АСТК, как и любого другого агрегатированного комплекса, целесообразно проводить путем разработки рациональных параметрических рядов средств измерения и контроля DQ.
Одним из основных составляющих элементов любой системы автоматического контроля (САК), а, следовательно, и одним из параметрических рядов АСТК, являются операционные АЦП, выполняющие наряду с цифровым представлением информации ряд простейших математических операций.
До недавнего времени АЦП были самым слабым звеном в составе САК. За последние 5-Ю лет в этой области достигнут значительный прогресс. Так в США, где разработкой АЦП занимаются десятки фирм, создана мощная элементная база, выпущены сотни различных по точности и быстродействию АЦП, освоено производство гибридных и твердотельных АЦП в единых корпусах, значительно снижены цены на серийно выпускаемые преобразователи. Аналогичные работы проводятся и у нас в стране.
Однако традиционно АЦП рассматривался как автономный прибор, и процесс оптимизации его структуры происходит без учета обратной связи СИСТЕМА-АЦП, что не всегда обеспечивало получение оптимального варианта его построения. Реализация системного подхода к разработке структур АЦП требует учета взаимосвязи основных параметров АЦП и системы и должна приводить к улучшению показателей качества САК в целом. Функции АЦП в системе до сих пор являются весьма ограниченными. Они сводятся к обеспечению согласования по форме представления информации между источником сигнала контролируемого объекта и остальной частью системы (ЭВМ, адаптером и т.п.). Такое положение вещей наглядно иллюстрируется в работе [7], где приведен ряд структурных схем измерительно-вычислительных комплексов. Необходимы же такие АЦП, которые
'обеспечивали бы в первую очередь электрическую, программную и временную совместимость. Помимо этого в системе обычно возникает потребность в разгрузке центрального процессора от ряда вычислительных операций, связанных с подключением АЦП к системе и первичной обработкой информации, поступающей от АЦП. Особенно актуальной становится эта задача при построении систем технологического контроля, когда для программного обеспечения контроля наиболее целесообразно применение микро- и мини-ЭВМ типов "Искра 1256", "Электроника 60", CM-I и т.п. Кроме того, ряд специфических особенностей измерения параметров изделий микроэлектроники также налагает определенные ограничения при разработке АЦП. К числу таких ограничений, например, относятся малая рассеиваемая мощность на объектах контроля (ОК) (десятки и дане единицы мВт), малое время подключения ОК к измерительной цепи (до единиц мс), большой набор функциональных зависимостей (линейная -при измерении напряжений, токов, сопротивлений, логарифмическая -при определении коэффициента усиления операционных усилителей, квадратичная - при измерении электрических шумов микросхем, кубическая - при контроле профиля концентрации неосновных носителей в полупроводниковых материалах, вычисление процентов - при допуоковом контроле сопротивления пассивной части ШС и т;д.). Причем, как правило, от таких преобразователей требуется достаточно высокая точность при их использовании в составе систем преимущественно в цеховых условиях, характеризующихся высоким уровнем промышленных помех (приведенная погрешность от 0,1$ до 0,01$ и лучше).
Серийно выпускаемые электроизмерительные приборы для целей автоматического контроля изделий микроэлектроники в ряде случаев применять чрезвычайно сложно. Они обычно являются лабораторными мультиметрами, и их использование в подавляющем большинстве
случаев оказывается технически и экономически неоправданным.
Кроме того серийные АЦП или цифровые приборы с набором выполнения ряда математических операций практически отсутствуют. Только благодаря разработке в рамках рациональных параметрических рядов операционных проблемноориентированных АЦП удастся решить большую часть перечисленных выше задач. При этом появляется новый подход и к распределению санкций между отдельными устройствами в системе, и к разработке алгоритмов функционирования и структур АЦП.
Наиболее вероятным методом построения операционных АНД для автоматизированных систем технологического контроля изделий микроэлектроники преимущественно в цеховых условиях их применения может быть метод интегрирующего преобразования. Он характеризуется возможностью получения высокой точности преобразования., достаточного быстродействия (до нескольких мкс), высокой помехозащищенности и разрешающей способностью, возможностью получения малых мощностей, рассеиваемых на ОК, возможностью строгой временной привязки работы реализующих его устройств, простотой схемотехнической реализации и т.д. Кроме того, и что также является очень важным, на его основе возможна реализация преобразователей с широким набором функциональных зависимостей выход-вход L &}, что нередко ускользает от общего внимания.
Большой вклад в развитие теории и техники метода интегрирующего преобразования внесен такими отечественными учеными и руководимыми ими коллективами, как И.М.Вишенчук, Э.И.Гитис, В.С.Гут-ников, В.Н.Малиновский, Э.К.Шахов, Б.И.Швецкий, В.М.Шляндин и др. В настоящее время можно считать, что формирование основ теории подходит к логическому завершению. Однако, несмотря на более чем 25-летний путь развития, метод интегрирующего преобразования до сих пор еще не нашел своего широкого применения при по-
-и-
строении на его основе различного рода операционных преобразо- ' вателей, а связанные с этим аспектом теоретические вопросы не привлекли должного внимания специалистов.
Настоящая диссертационная работа посвящена рассмотрению некоторых вопросов теории, синтезу алгоритмов и структур операционного интегрирующего преобразования электрических величин преимущественно для систем технологического контроля и измерения параметров изделий микроэлектроники, а также разработке на базе синтезированных структур конкретных измерительных преобразователей и их промышленному внедрению.
В данной работе поставлены и решаются следующие основные задачи:
I. Рассматривается место и роль контрольно-измерительных операций в общем технологическом цикле производства микросхем и. выделяются первоочередные измерительные задачи; анализируются пути агрегатированного построения автоматизированных средств измерения для решения поставленных задач и определяются на этой основе требования к ним; обосновываются целесообразность, а для большинства измерительных задач с учетом выявленных требований -необходимость применения для их решения метода интегрирующего преобразования; проводится систематизированный обзор способов и средств операционного интегрирующего преобразования.
2; Проводится анализ динамических свойств интегрирующих преобразователей следящего уравновешивания с не^инитной ШІФ при входном воздействии типа меандра, выявляется необходимое условие минимизации числа циклов переходного процесса, возникающего в этом случае; исследуются избирательные свойства интегрирующих преобразователей с финитной ШІФ в режимах синхронного и фазового детектирования; ставится и корректно решается задача разработки динамической модели квадратичных интегрирующих преобразо-
вателей; анализируется влияние внутрисхемных шумов на результат преобразования операционных интегрирующих преобразователей как динамических систем, причем для квадратичных преобразователей эта задача ставится и решается впервые.
3; С учетом результатов теоретических исследований разрабатываются и исследуются новые алгоритмы функционирования и базовые структуры операционных преобразователей, имеющих высокие метрологические характеристики.
Исследуются пути улучшения основных метрологических характеристик операционных преобразователей и разрабатываются рекомендации по их совершенствованию, которые доводятся до конкретных примеров их технической реализации.
Осуществляется практическая реализация и промышленное внедрение некоторых из разработанных технических решений в составе автоматизированных измерительных средств технологического контроля изделий микроэлектроники.
Основные положения диссертационной работы изложены в 27 научных трудах.
Работа обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в Пензенском филиале Всесоюзного научно-исследовательского технологического института приборостроения в 1976-1983 гг. под руководством д.т.н.профессора кафедры "Информационно-измерительная техника" Пензенского политехнического института Шахова Э.К.
Место и роль контрольно-измерительных операций в общем технологическом цикле производства микросхем
Важнейшим условием высокого качества микросхем являются организация измерения и контроля их параметров на всех стадиях технологического процесса производства и высокие технические характеристики используемого МО, Комплексный подход к организации технологического контроля предполагает обеспечение средствами измерения и контроля не только всех стадий производства микросхем (входной контроль и измерение параметров исходных компонентов, контроль и измерение параметров технологических процессов, финишный контроль и измерение параметров готовой продукции) но и входного контроля и измерения параметров микросхем у потребителей. Только получение информации обо всей цепочке "производство-потребление" позволит постоянно совершенствовать сами микросхемы и технологию их производства.
Высокие технические характеристики КИО определяются не столько собственно погрешностями измерения, сколько соответствием параметров КИО характеру производства, характеристикам используемых контактронов и т.п. То есть необходимо ставить вопрос о соответствии характеристик КИО используемой технологии производства, используемому технологическому оборудованию и характерно тикам выпускаемых микросхем.
В настоящее время в мировой и отечественной практике широкое применение нашли два базовых типа технологии производства микросхем [9]: - гибридно-пленочная; - твердотельная полупроводниковая.
Каждый тип технологии подразделяется еще на несколько основных вариантов: гибридно-пленочные микросхемы изготавливают по тонкопленочной и толстопленочной технологии, а твердотельные -по биполярной, МОП-технологии и смешанной.
Обобщенная схема технологического процесса производства гибридно-пленочных микросхем приведена на рис.І.І, а твердотельных полупроводниковых микросхем - на рис.1.2 [9].
Из анализа типовых технологических процессов производства микросхем следует, что все виды технологического контроля и измерения параметров можно подразделить (рис.1.3) по месту в технологической цепочке (входной, операционный, межоперационный, Финишный и входной контроль у потребителя); по объекту контроля (измерение параметров изделия и комплектующих, параметров технологических сред, режимов работы оборудования); по физической природе измеряемой величины (электрическая, не электрическая). При этом измерение электрических величин составляет около 55% среди всех видов контроля для полупроводниковой технологии и около 74% - для гибридной. Л с учетом того, что многие неэлектрические величины, которые необходимо измерять и контролировать в процессе производства, могут быть преобразованы в электрические, операции измерения электрических величин будут существенно преобладающими .
Кратко характеризуя измерительные задачи технологического контроля изделий микроэлектроники отметим, что измерения осуществляются как правило в присутствии интенсивных промышленных помех; диапазоны измеряемых величин простираются от долей мкВ до десятков В - по напряжению, от долей Ом до десятков МОм - по сопротивлению, от единиц нА до сотен мА - по току и т.п.; измерение напряжений осуществляется от источника с высоким выходным сопротивлением. При этом время измерения необходимо иметь порядка десятков-единиц МО.
Таким образом, из вышесказанного и анализа типовых схем техпроцессов производства изделий микроэлектроники следует, что первоочередного решения ждут такие измерительные задачи: сопротивлений пленочных резисторов ШС с учетом малой рассеиваемой мощности; - измерение с высокой точностью сопротивления квадрата резио-тивных и проводящих пленок и полупроводниковых пластин; - измерение шумов пленочных резисторов и операционных усилителей; - измерение и контроль параметров ШС при их функциональной подгонке, диагностическом и финишном контроле; - измерение параметров бескорпусных активных элементов с учетом малой рассеиваемой мощности и малого времени контроля; - измерение напряжения постоянного и переменного тока милли-вольтового диапазона от сверхвысокоомного источника; - измерение сверхмалых постоянных токов нано- и пикоамперно-го диапазона; - функциональное преобразование напряжений (токов) для измерения электрофизических параметров полупроводниковых пластин, электрических шумов, параметров технологических сред и т.д.
Кроме того, надо учесть, что на всех этапах технологического процесса необходимо контролировать режимы работы оборудования, а, следовательно, - измерять постоянные и переменные напряжения и токи, электрическую мощность и т.д. Причем все измерительное оборудование, призванное решать вышеописанные задачи, должно работать в цеховых условиях, т.е. в присутствии интенсивных промышленных помех с широким спектром, и вместе с тем иметь достаточно высокую точность, высокий коэффициент подавления помех как общего, так и нормального вида, иметь возможность системного применения и обеспечивать, как правило, чрезвычайно низкую мощность рассеяния на контролируемом объекте.
Как уже отмечалось выше, успешное решение всей совокупности измерительных задач технологического контроля возможно лишь на основе применения агрегатированного подхода при построении автоматизированного КИО. Это объясняется рядом факторов; Во-первых, большим числом разноплановых измерительных задач, а во-вторых, необходимостью высокой степени автоматизации технологического КИО. Последнее ведет к неуклонному усложнению КИО, созданию автоматизированных проблемноориентированных систем технологического контроля. Высокая степень автоматизации такого КИО стала действительно насущной задачей. Это обусловлено необходимостью неуклонного роста производительности труда, стремлением к улучшению его условий, а также растущими ограничениями на многие ресурсы, прежде всего трудовые.
Все это налагает отпечаток на принципы построения средств измерения для технологического контроля, определяемые необходимостью системного подхода к созданию современных технических средств. Так, например, в работе [icQ отмечается, что развитие метрологического обеспечения технологии пойдет: в области исследований - по пути использования новых эффективных принципов и методов повышения метрологических характеристик и надежности КИО; в области разработок - по пути создания проблемноориенти-рованных агрегатных комплексов, информационно-измерительных систем на их основе; в области производства - по пути внедрения автоматизированных методов и средств контрольно-поверочных работ.
Анализ динамических свойств интегрирующих преобразователей следящего уравновешивания с нефинит- . ной ИПФ при входном воздействии типа меандра
В настоящее время известны два принципиально разных типа интегрирующих преобразователей следящего уравновешивания с нефи нитной ИПФ - это ПНВ с так называемой "импульсной" обратной связью 27,6СІ] (рис.1.10 и рис.1.II).
С целью выявления путей повышения их быстродействия проанализируем свойства обеих структур. Напомним, что под динамическими свойствами здесь будем понимать скорость отслеживания выходным сигналом (число циклов переходного процесса) входного возмущающего воздействия типа меандра.
На рис.2.1 представлены временные диаграммы, характеризующие работу преобразователя [27] при указанном входном воздействии. Признаком наличия переходного процесса в этом устройстве служит тот факт, что значения напряжения на выходе интегратора (рис.2.1,6) в моменты времени w и t$ (или в моменты времени L TIL tlj. ) ОТЛИЧНЫ ДРУГ ОТ Друга.
Уравнения, описывающие работу этого преобразователя при входном воздействии типа меандра, в соответствии с обозначениями, принятыми на рис.2.1, будут иметь вид
Коль скоро нас будет интересовать зависимость то, подставив (2.3) в (2.4) и сделав необходимые математические преобразования, получим следующее выражение
В установившемся режиме, если он существует при таком типе воздействия, из выражения (2.5) можно полу чить следующую зависимость Аналогично
Для простоты дальнейших математических преобразований введем следующие обозначения
Выражение (2.6) представляет собой итерационную зависимость, характеризующую поведение рассматриваемого устройства в переходном режиме при входном воздействии типа меандра.
Необходимым и достаточным условием сходящегося переходного процесса, описываемого выражением (2.6), является неравенство №\ 4 . (2.7)
Поскольку для принятого на рис.2.1 воздействия всегда 0 , то условие (2.7) трансформируется в следующее
Определим границу устойчивости, для чего на основе (2.8) составим неравенство откуда вытекают следующие условия. Итерационный процесс будет сходящимся, если
Итерационный процесс будет расходящимся, если Соотношение определяет границу устойчивости. При условии (2.II) устройство утрачивает работоспособность и становится неуправляемым от входного воздействия.
Возвратимся к решению итерационного уравнения (2.6), на основе которого можно записать:
Подставляя эти выражения последовательно одно в другое, получим следующее соотношение
Выражение в фигурных скобках представляет собой сумму конечного числа членов геометрической прогрессии. С учетом этого последнее соотношение можно представить следующим образом Если в соотношении (2.6) положить то
С учетом этого выражение (2.12) примет вид Определим относительную погрешность установления через ft уст. циклов как величину Подставив (2.13) в последнее выражение, найдем Прологарифмировав эту зависимость по основанию 10, можно определить число ft/c/n. циклов установления в следующем виде Худшим с точки зрения числа tbye/n. циклов установления будет случай, котдаЛ-/&] 0, тогда
Отсюда fcyc/n:О, если , т.е. XJXJL-O . Следовательно, дан ный преобразователь будет обладать максимальным быстродействием лишь при условии Х / 0 жтХ2-@ . А учитывая то обстоятельство, что рассматриваемое устройство при близком к нулевому входном сигнале практически не функционирует, то в любом случае ему будет присущ итерационный цикл преобразования.
Из предшествующего анализа можно сделать следующий вывод. Рассмотренный преобразователь [27], несмотря на нефинитность его ИПФ при входном воздействии типа менндра и соблюдении уело
Разработка и исследование алгоритмов функционирования и базовых структур линейных ИПН уравновешивающего преобразования с финитной ИПФ
Разработанная на основе предложенного в предыдущем параграфе алгоритма структура линейного ИШ обладает потенциально высокой статической точностью и хорошими динамическими свойствами. Однако для ряда динамических измерений технологического контроля (например, измерение динамических характеристик операционных усилителей, ряда параметров цифровых интегральных схем и т.д.) они являются не вполне удовлетворительными. В этой связи в настоящем параграфе поставлена и решается задача достижения предельного быстродействия ИШ следящего уравновешивания в плане сокращения времени переходного процесса до минимума, далее если это будет связано с некоторым уменьшением точности.
В качестве исходной модели примем алгоритм, разработанный в предыдущем параграфе. Для обеспечения предельного быстродействия модифицируем его следующим образом. Организуем работу обоих интегрирующих каналов идентично, но со сдвигом по времени на одан такт, причем в каждом из каналов интегрирование входного сигнала xfij будет носить прерывистый характер, а вместе они обеспечивают непрерывное интегрирование входного сигнала.
На основе сказанного такой алгоритм будет заключаться в не прерывном интегрировании X С V первым интегрирующим каналом в течение первого цикла преобразования и в течение информативного интервала времени во втором цикле. Второй интегрирующий канал осуществляет непрерывное интегрирование входного сигнала в течение второго цикла преобразования и в течение информативного интервала времени в третьем цикле преобразования. Причем в течение информативного интервала времени, определяемого равенством интегральных значений в первом и втором канале, осуществляется списывание образцовым сигналом накопленного в предыдущем цикле интегрального значения от преобразуемого напряжения Я- ( /.
Временные диаграммы, иллюстрирующие данный алгоритм при входном воздействии типа меандра, приведены на рис.3.6. В соответствии со сказанным выше и принятыми на рис.3,6 обозначениями разработанный алгоритм будет описываться следующими соотношениями преобразования \xjhH] не зависит от результата преобразования в предыдущем цикле 1х.[п] , и соответственно Tx[hi+Z] не зависит отТх[п+JJ . А при равенстве 2 / и WQ имеют место следующие зависимости:
Из приведенных соотношений (3.17) следует, что в данном алгоритме увеличение быстродействия, точнее полная независимость протекания процессов преобразования в соседних циклах, "покупается" ценой приобретения дополнительной погрешности нелинейности характеристики преобразования в случае неравенства tttj и 2 .
Исследуем влияние этого неравенства, определив соответствующую относительную погрешность следующим образом (3.17) и (3.18). Подставив (3.17) и (3.18) в (3.19), получим Поскольку на практике / (І) - l&f(zj]Xz( fj SftJ У о , то выражение для погрешности (Г//йу примет более простой вид й(2) №М-Ы#]Х М Отсюда видно, что эта погрешность прямо пропорциональна преобразуемому сигналу х(І) и при значениях входного сигнала, близких к Vo , может достигать значений, равных относительному отклонению Z V и 2 друг от друга. Функциональная схема базовой структуры, реализующей данный алгоритм, представлена на рис.3.7,а, а на рис.3.7,б изображены временные диаграммы, иллюстрирующие ее работу при входном ожтяа В соответствии с разработанным выше алгоритмом функционирование базовой структуры описывается следующими соотношениями
Однако, как уже отмечалось ранее, невыполнение равенства приводит к нелинейности характеристики преобразования. Этот факт снижает точность и является существенным недостатком рассмотренного технического решения наряду с несомненным его достоинством -отсутствием зависимости результатов преобразования в соседних циклах.
В плане дальнейшего совершенствования операционных ИПН в разрабатываемом направлении, т.е. уменьшения рассмотренной выше статической погрешности преобразования при сохранении максимального быстродействия, интересен принцип компрессии среднего значения входного сигнала. Этот принцип, получивший также название принципа интегральной импульсной модуляции, был впервые разработан как способ интегрирующего преобразования в 1978г. авторским коллективом под руководством д.т.н.,профессора Шахова Э.К. [62J. Однако такой способ, как отмечалось в первой главе, не лишен недостатка, заключающегося в низкой его чувствительности, обус
LINK4 Исследование возможности повышения входного сопротивления операционных ИПН LINK4 Задача, вынесенная в название параграфа, возникает всякий раз, когда речь идет об измерении напряжения от высокоомного источника. В области контроля изделий микроэлектроники к ней, в частности, сводятся задачи измерения ряда параметров микросхем, изготовленных по МОП-технологии, измерения межзондовых потенциалов при контроле удельного сопротивления высокоомного монокристаллического кремния и ряд других.
Наиболее простой путь повышения входного сопротивления ИПН -это использование предвключенного на входе повторителя напряжения с высоким входным сопротивлением. Однако в любом случае возникает обусловленная этим фактом соответствующая погрешность. Поэтому при построении ИПН задачу повышения входного сопротивления целесообразнее решать непосредственно при построении интеграторов.
Наиболее идеальным с точки зрения реализации функции интегрирования, как известно, является так называемый интегратор Миллера, с использованием которого реализованы все базовые структуры в третьей главе. Но его входное сопротивление определяется сопротивлением суммирующего резистора (например, &4 на рис.3.9,а). Для базовых структур, в которых осуществляется интегрирование входного сигнала одновременно двумя интеграторами типа Миллера, входное сопротивление будет равно сопротивлению двух параллель но включенных суммирующих резисторов (например, &4 и 2- на рис.3.5,а).
Как уже отмечалось, реализация алгоритма, разработанного в п.3.2 и предусматривающего сравнение текущих интегральных значений от входного сигнала и от разности входного и образцового сигналов, получаемых с помощью .двух интегрирующих каналов, возможна не только на основе непосредственного интегрирования вспомогательным каналом, но и на основе использования выхо.цного сигнала основного канала. Такое решение позволяет устранить шунтирующее влияние вспомогательного канала, что дает повышение входного сопротивления вдвое.
Одним из возможных путей такой развязки является использование операций дифференцирования выходного сигнала основного интегрирующего канала, вычитания результата интегрирования и дифференцирования образцового сигнала и последующего интегрирования полученного сигнала в соответствии со следующей схемой где to ytj, fy- постоянные времени соответственно основного и вспомогательного интеграторов и дифференциатора.
При равенстве tb to конечным результатом преобразования имеем текущее интегральное значение от входного сигнала.
Такое техническое решение легко применимо в базовых структурах, представленных на рис.3.5, рис.3.7, рис.3.16. Рассмотрим конкретную реализацию подобного устройства на примере линейного ИПН, описанного в работе [83]. Его «функциональная схема и временные диаграммы работы приведены на рис.4.1. функционирование такой структуры мало отличается от рассмот ренной в п.3.2 и изображенной на рис.3.5. Однако, вследствие развязки входа от вспомогательного интегратора, она, кроме повышения входного сопротивления, приобретает еще одно ценное качество, заключающееся в возможности непосредственного преобразования не только напряжения, но и тока без его традиционного предварительного преобразования в напряжение [95] . В этом случае ток подается в суммирующую точку основного интегратора (точка соединения резисторов 27 ,22 , конденсатора С и инвертирующего входа операционного усилителя 0УІ на рис.4.1).
Вследствие введения дифференциатора определенным образом трансформируется и достаточное условие минимизации числа циклов переходного процесса. Остановимся на этом вопросе подробнее [95]. В соответствии с выражением (4.1) и рис.4.1 математически функционирование рассматриваемой структуры лщХ(і1=Х-а н4ІУ-ЬєТ[1] будет описываться соотношением
Из соотношения (4.2) видно, что при -0 Tx[/t+/fJ не зависит от 7x[tt], т.е. переходной процесс отсутствует. Отсюда вытекает следующее достаточное условие независимости протекания процесса преобразования для всего диапазона входных сигналов т.е. необходимо обеспечить равенство постоянных времени вспомогательного интегратора дифференциатора и с определенным весом M/R5 постоянной времени основного интегратора Q2C2 по входу образцового напряжения.
При выполнении условий (4.3) выражение (4.2) трансформируется в следующее, свойственное для характеристики преобразования,
Отметим, тот факт, что в соотношение (4.3) не входит сопротивление резистора Bl , которым определяется входное сопротивление всего устройства. Такое качество разработанного ЖШ позволяет варьировать значением сопротивления 6-І без ущерба для динамических свойств структуры.
Другой возможностью повышения входного сопротивления структур, рассмотренных выше и использупцих развязку от входа основного интегратора, является применение генератора пилообразного напряжения, выходное напряжение которого изменяется по закону УоЪ/tr СГг - постоянная времени генератора), с целью компенсации составляющей Vot/to в выходном напряжении основного интегратора.
Такой алгоритм реализуется в соответствии со следующей схемой
Как видно из приведенного алгоритма (4.4), его реализация требует операции аналогового запоминания выходного напряжения интегратора в момент начала очередного цикла преобразования.
