Введение к работе
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:
-
Анализ погрешностей балансировки компараторов при измерении параметров. Разработка и исследование методов повышения точности измерения параметров компараторов при действии шумов и паразитных колебаний.
-
Анализ основных составляющих погрешности измерения времени установления операционных усилителей и цифроаналоговых преобразователей. Исследование и разработка методов измерения, обеспечивающих уменьшение указанных погрешностей.
-
Исследование и разработка принципов и конкретных путей построения углов систем измерения времени установления, коюрыс позволяли бы достигать необходимых гочностных показателей.
-
Практическое создание аппаратных и программных средств 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 PSpice, MathCad, экспериментальном исследовании разработанных методов схем и их испытании в составе опытных образцов измерительных систем.
Научная новизна.
-
Выполнена теоретическая оценка влияния шумов и самовозбуждения на погрешность измерения статических параметров компараторов. Предложены и обоснованы методы уменьшения погрешностей.
-
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 уста
новления - прецизионного формирователя перепада и входного каскада из
мерителя, обобщены и систематически рассмотрены варианты построения.
На основании анализа погрешностей обоснован выбор оптимальных схем
ных конфигураций, исследованы требования к элементам и конструкции.
4. Исследованы эффекты, приводящие к затягиванию процессов установле
ния сигналов в элементах канала измерения времени установления. Пред
ложены 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 ис
следуемого 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.
-
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.
-
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 кото
рого возможен оптимальный выбор для конкретной реализации. Разработа
ны рекомендации по выбору элементной базы для построения прецизион
ных узлов аппаратуры измерения времени установления, предложены кон
кретные 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 диесершписшлой работы докладывались и обсуждались на конференциях: "Радиоизмерения-91" г.Севастополь, 199!г,"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.
