Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Факультет «Автоматики и электроники»
Кафедра «Микро- и наноэлектроника»
Конспект по дисциплине «Компьютерный практикум-13»
на тему
«Измерение характеристик электронных компонентов»
Авторы статьи: Лапшинский В. А., Першенков В. С., Бакеренков А. С. и др.
Выполнил: студент группы А4-11 Глазков В.Г.
Преподаватель: доцент Лапшинский В.А.
Москва 2013
Глоссарий
Интегральная микросхема — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.
Передаточная функция — один из способов математического описания динамической системы.
Полупроводник — материал, который отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.
Калибровка измерительных приборов — установление зависимости между показаниями средства измерительной техники (прибора) и размером измеряемой (входной) величины.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ...............................................................................5
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА...................................................6
МЕТОДИКА ЗАДАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ.....................8
СТРУКТРНАЯ СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА.....................9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................11
Введение
Измерение электрических параметров интегральных микросхем и дискретных полупроводниковых приборов осуществляется на многих этапах технологического цикла. Электрические характеристики микроэлектронных изделий, предназначенных для специального применения в условиях космического пространства или в военной технике, должны контролироваться особенно тщательно.
Интегральные микросхемы специального назначения проходят особые квалификационные испытания на стойкость к воздействию указанных факторов, в процессе которых необходимо контролировать изменение характеристик испытываемых приборов.
Для аналоговых интегральных микросхем это особенно важно, поскольку их отказы, как правило, носят не функциональный, а параметрический характер.
Примером деградации параметров интегральных микросхем является увеличение входных токов и дрейф напряжения смещения нуля биполярных операционных усилителей при воздействии ионизирующего излучения [2].
Измерение наноамперных токов для защиты от помех требует использования особых мер, таких как применение специальной методики трассировки плат для исключения утечек, экранирования и фильтрации паразитных сигналов, способных исказить результаты измерений, а также оптимизированное размещение исследуемых приборов на плате. Данные требования налагают ограничения на длину межсоединений и на конструкцию измерительного стенда.
Даже незначительное изменение температуры окружающей среды может существенно повлиять на результаты измерений. Задача обеспечения воспроизводимости температуры от измерения к измерению особенно важна при работе с большими токами и при долговременных радиационных экспериментах.
В данной работе представлен прибор, предназначенный для измерения характеристик интегральных микросхем и тестовых транзисторных структур, удовлетворяющий всем изложенным требованиям. Описанное устройство может использоваться как для исследовательских целей, так и для квалификационных испытаний аналоговых и комбинированных интегральных микросхем на воздействие ионизирующего излучения [1].
Методика измерения тока
В измерительном устройстве в качестве датчика тока используется логарифмический преобразователь ток—напряжение, выполненный на основе транзисторов в диодном включении. На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема измерительного канала устройства.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема измерительного канала
Температуру диодов AD2:A и AD2.B необходимо поддерживать постоянной. С этой целью реализована система термостабилизации. На неинвертирующий вход операционного усилителя AD1:A подается напряжения с датчика температуры. Этот датчик выполнен из по-следовательно включенных резистора R1 и транзистора AD2:C, расположенного в одной микросхеме с транзисторами датчика тока. Напряжение UT_1 уменьшается с ростом температуры. На инвертирующий вход операционного усилителя AD1:A подается опорное напряжение VT_REF, которое задает рабочую температуру. Таким образом, реализованная в схеме отрицательная обратная связь поддерживает температуру микросхемы датчика тока на постоянном уровне. Описанная схема позволяет измерять токи в большом диапазоне, не прибегая к переключению пределов измерений.
Для определения зависимости напряжения UI_1 от тока канала необходимо провести калибровку. Напряжение на выходе канала устанавливается таким образом, чтобы ток, протекающий в канале, соответствовал напряжению UI_1, равному 9 В. Значение тока рассчитывается по закону Ома как напряжение выхода канала, деленное на номинал подключенного резистора. Аналогично определяется ток, соответствующий следующему значению UI_1.
С использованием нового резистора выполняется подбор выходного напряжения, соответствующего последнему успешно подобранному значению напряжения UI_1. В составе устройства-калибратора имеется восемь калибровочных резисторов, номиналы которых приведены в таблице.
Таблица 1. Номиналы калибровочных резисторов
В составе устройства имеется три канала измерения токов, передаточные характеристики которых, полученные описанным методом калибровки, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Передаточные характеристики измерительных каналов
Методика задания и измерения напряжения
Для автоматизированного считывания выходных напряжений логарифмических преобразователей тока измерительных каналов, а также для измерения выходных напряжений тестируемых микросхем используется модуль аналого-цифрового преобразования, реализованный на основе интегральной микросхемы 16-разрядного АЦП AD7694 (Analog Devices).
Для определения кода нуля и шага квантования модуля аналого-цифрового преобразования применяется следующая процедура калибровки. На вход модуля подается нулевое напряжение и запоминается соответствующий код ADC_ZERO_CODE, измеряется опорное напряжение АЦП ADC_FEF и подается на вход модуля преобразования, запоминается код ADC_REF_CODE, соответствующий поданному опорному напряжению.
Для установки заданных уровней напряжений при экспериментальных исследованиях служат модули программно управляемых источников напряжения.
Микросхемы ЦАП DAC8532 являются двухканаль- ными преобразователями с архитектурой "резисторная линейка", исключающей пропуски кодов и позволяющей снизить дифференциальную нелинейность передаточной характеристики преобразования. Основным недостатком ЦАП данного типа является большая интегральная нелинейность, которая, согласно спецификации, может составлять до 1 % полного диапазона выходного напряжения, что дает абсолютную погрешность задания напряжения ±0,1 В в диапазоне ±10 В. Данная погрешность определяется разбросом номиналов резисторов, использующихся в преобразователе, она не является случайной и может быть уменьшена посредством калибровки.
В процессе калибровки выход модуля цифроаналогового преобразователя соединяется с входом модуля аналого-цифрового преобразования. В результате серии 1024-х измерений составляется калибровочная таблица соответствия входного кода ЦАП, изменяющегося с шагом 64, и выходного кода АЦП, которая используется при задании напряжения для расчета кода ЦАП.
Калибровка цифро- аналоговых преобразователей не требует подключения дополнительных калибровочных устройств и осуществляется при необходимости по команде пользователя. Разность эталонных и измеренных передаточных характеристик модулей цифроаналогового преобразования устройства до и после калибровки показаны на рис. 3 на примере первого канала устройства [1].
Рис. 3. Разность эталонных и измеренных передаточных характеристик модулей цифроаналогового преобразователя первого канала устройства до калибровки (●) и после (♦)
Структурная схема измерительного прибора
На рис. 4 показана структурная схема измерительного прибора, использующегося для измерения электрических параметров ИМС. Автоматизация проведения измерений осуществляется при помощи программного управления измерительной системы с компьютера, который соединяется с платой 1 измерительной системы через СОМ-порт.
Рис. 4. Структурная схема измерительного прибора.
К измерительной системе подключается коммутационное устройство, необходимое для удобства подключения ИМС с различными корпусами, устанавливаемыми на плате-носителе типовой конфигурации.
Функции измерения параметров ИМС реализованы на измерительных платах 1 и 2. Структурные схемы плат представлены на рис. 5.
Рис. 5. Структурно-функциональная схема измерительной системы
При измерениях электрических параметров ИМС возникает необходимость управления внешними устройствами (коммутаторами, другими измерительными приборами). Для реализации этой возможности на плате 1 измерительной системы реализован блок цифрового ввода-вывода, который позволяет передавать и принимать сигналы стандартной логики.
Плата 1 измерительной системы имеет пять выходных линий, к которым могут подключаться аналоговые выводы ИМС, для большинства случаев этого не достаточно и необходимо иметь большее количество выходных измерительных линий. Для решения этой проблемы к плате 1 измерительной системы подключается плата 2, в состав который входит Коммутатор III, более мощный, чем Коммутатор II платы 1 и имеющий 16 выходных измерительных линий.
В составе каждой платы измерительного прибора имеется блок управления схемой стабилизации температуры [4].
Заключение
Было описано автоматизированное средство измерения электрических характеристик интегральных микросхем и дискретных полупроводниковых приборов. Рассмотрена методика измерения токов с помощью диодного логарифмического преобразователя ток—напряжение, описан алгоритм калибровки преобразователя с использованием резисторов различных номиналов, приведены передаточные характеристики трех измерительных каналов устройства.
Представленная методика калибровки цифроаналоговых преобразователей позволяет снизить более чем на порядок дифференциальную нелинейность преобразования. Описана полная структурная схема устройства для автоматизации измерения характеристик интегральных микросхем и дискретных приборов при экспериментах и квалификационных испытаниях.
Литература
1) Лапшинский В. А., Першенков В. С., Бакеренков А. С. и др. Прибор для измерения электрических характеристик электронных компонентов // Датчики и системы. — 2012.-№11.-С. 30-35.
2) Бакеренков А. С., Беляков В. В., Шуренков В. В. и др. Система для измерения параметров операционных усилителей при радиационном эксперименте // Датчики и системы. - 2011.-№ 6. - С. 25-29.
3) Першенков В. С., Бакеренков А. С., Варламов С. А. и др. Расчетный метод оценки стойкости биполярных приборов к воздействию ионизирующих излучений низкой интенсивности и использование конверсионной модели // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — Вып. 4. — С. 5-12.
4) Бакеренков А. С., Беляков В. В., Варламов Н. В. и др. Система задания и контроля температуры при экспериментах на циклотроне по исследованию одиночных сбоев в микросхемах // Ядерная физика и инжиниринг. — 2011. — Т. 2, № 6. - С. 502-509.
Источник: http://Лапшинский В. А., Першенков В. С. и др. Прибор для измерения электрических характеристик электронных компонентов. | 
