Умрихин_Анализ_надежности (Анализ электрической нагрузки элементов при оценке надежности интегральных радиоэлектронных устройств)

Фомвэ А.В., умрихяя О.н. Анализ электрической авгрувки элемвитов пра опенке авдеявоотк антегральных радиоэлектронных уотройотвь Учеб. пособие. - М.: Изд-'во ИАИ, 1ЭЗ4. — Ыо.: вл. Расоматрлввптоя упрсщеияаэ мввщм опенка элвктричеоккх рзквмов ьтоков, звпряявавй. мошаостей'расаеивавая) рвботи элементов а коьаояэнтов ьакроохем а мккросборсм современных иатегрвльинх устройств.

Аавлвзируштоя алалотоюьв и ключевые охеыи. Результатм расчета нопользумтая при опэюю,реальной иэдеввооти РЭС и ЭВС, Пособие предназначено для студеятов опепаальюотей "Кояотруировааие в производство РЭС" А';"дсяотруировввие а производство ЭВС" при лнполаениэ вми яурсовой 'рабски в у1 оенеатре соответственно по ляопвпллнвм "'теоретичеокле.пололи кокотруироввлвя и проиэвсхотЭа РЭС" И "ТЕОрэтаЧЕаанв ОсяСВМ Ксаструарсзаэня И Посвэлюдства ЗВС". Реоеаэеитм: Н.И.

Григорьев, В,1'. Вяохли ььэи 5 ьэьь-чльл ь ОС Цооковояий взиапковянй Яиотнтутр 1994 Среди эаллч конструирования интегральных радиоэлектронных устройств (ИРЭУ) одной из наиболев завах и оконных является обеспечение надеаности. Возмоиность оуьюственной экономии ресурсов при их рациональном использовании об)ьолоэяивает актуальность рюьения этой задачи. Слозность завами овклшчается з противоречивости условий, необходюаьх для получения маюиьшльной экономии материальных'и интеайвктувльньи ресурсов. Известно, что наииенылив затраты нв обеспечение требуеной надеююсти аппаратуры имеют место в тоы случае, если ата задача реИаэтпя С СаЫИХ ПЕРВЫХ.атаПОВ раэрабОтин.

С ЛруГОИ СтОрОНЫ, дпя принятия обосновзнньэс реьюний необхоллыэ максиьюльыо полная и точнэл исходная инфорьиьция~ ко%эрой нэ ранних этапах'проектирования вче нвт. Речь илет, в первую очередь, об электрических резинах работы элементов, определюплих энергетическую.натйуэку, которая вместе с температурой оказывает доминируюлее влияние на надекность элементов.

На практике укаэанное противоречие разрешается несколькиии путями. Наиболее простью, но и "затратным" является 4изичесюе моделирование схеыы путем разработки макете иэделия. Необходиьяье данные о токах и нвпряквниях нв элементах измеряются прибопзми не-, посредственно на маивте.

Второй путь - аналитическое моделирование в видо расчете рвкююэ работы элементов по схеме с привлечением справочных данных. Сунестзуьмие методы анализа электрических схеи используют болыьое нногообраэие математических моделей активных элементов МРЭУ э зависимости от требований точности расчета. Однако в большинстве своем такие рас юты оказываются слиаком громоздкими и трулоемкими. Позтоыу е инкенерной практике расчетов напевности ИРЭУ наиболььюе распространение получили метолэь расчета разиков на нвиьсулший случай, поэволелмй эа счет сумественного упроиения модели резко снизить их трудоюькость. Кстественно, что эа счет упромения моделей возрастает и погревюсть такого метеле расчета. Но она не превьюает ошибок оменки Х вЂ”" — или А - " ~ (1.12) М или где Х„ и Ю„ - реальные ток и сопротивление нагрузки интегральной микросхемы (ИМС); У„,~ , Я„~ „ — их предельно допустимые значения. Промекуточной трудоемкостью обладаю смешанные по составу, наибо- лее распространенные схемы.

Использование в них паспортных значе- ний напряжений на выводах микросхем существенно облегчает расчет реаимов остальных элементов схемы. После вательный метод состоит в поочередном расчете токов и напряжений на элементах путем последовательного перехода от одного узла и цепи схемы к другим. Метод используется при независимости по тону отдельных цепей, при этом расчет ведется непо- .е~ »~ щк~« ° ° ~ ~ 4% ° зистора, связываппих отдельные цепи, ведет к необходимости применения параллельного метода расчета. О иент вочный метод используется при полной информации о схеме, но не требует знания вольт-амперных характеристик.

Расинч яепачч.а по типовым павяметпам активных элементов. поивеленным Четвертый принцип касается распределения токов в многокаскадных усилителях. Потребление последнего каскада составляет ебычно около половины общего тока, предпоследнего — половины оставшегося тока и так далее к началу усилителя. Тогда потребление первых двух каскадов примерно одинаково. "стянутыми в точку" выводами используется при равенстве напряже- ний на коллекторе и базе транзистора. Несоответствие реальных условий схемы названным ведет к дополнительной погрепшости расче- та, которая увеличивается с постом степени несоответствия.

В цеком методики и примеры охватывают основную часть современных ИРЭУ и реальные еадачи расчета реаимов. 3. ЭНСПРЕСС-О КА ЗЛЕКГРИЧИ:КИХ РЕКИМЗВ РАБОТЫ щщ~дт~у~д рм ~~ длеъл~а съем 1юю вел м мю"минъ В смешанных по составу схемах, содержащих, кроме того, интегральные микросхемы, должны быть известны напряжения на их выводах, соединенных с внешними элементами, что существенно упрощает расчет.

Иллюстрацию методов и приемов расчета начнем со схем на биполярных транзисторах. значит получить существенную погрешность расчета, так как паде- ния напряжений от базовых токов на больших сопротивлениях Ню ~ ЮУ = 200 к0м составляют 1 В на б мкА, а уровень базовых токов транзистора 2ТЭЮТ в линейном юежиме — 5...15 мкА В общем случае прямая находится между горизонтальными участкани кривых. Тогда ток базы рассчитывается интерполяцией между Соседними значениями по линейному закону ~т, -х,")~~„-т„) Е ли схема содержит полупроводниковые диоды, для расчета может быть принято типовое напряжение между анодом и катодом." К = — 0,9 В.

Цля конкретного диода его можно точно найти по справочным данным, например по вольт-амперной характеристике: м Для точного расчета построим эквивалент- ную схему усилителя в линейном режиме у„ (рис. 3.3,6), используя модель транзистора (рис. 3.4). В эквивалентной схеме шесть элементов Ее особенностью является наличие неизвестного напряжения ~ , т.е. четвертой переменной. В связи с этим режимы находятся методом последовательных приближений путем подстановки в систему все более приближакщегося к истинному значения У„ точке Р„~ =- 2,9 В. Из системы (3.1) получим 2' = 0,547 мА, 1 = 0,962 мА, Х,' = 1,509 мА. При этих токах $ = 1» ЮУ = 0,547 2 = ~,~ В-, и,='~'Ю~'=0,юг.0,4-0,ж В, ~„'= ~,'~ 0,Л'=0,~3В.

Разница с типовым значением составляет около 0,03 В, что горизонтальные участки соответствуиг линейному режиму, а верти- кальные - ключевому. 8,6К 1. Б:ли по напряжению на аатворе пока ничего определить нельзя, то по напряжению на эмиттере мокко рассчитать потенциал на базе Р~~ ,Е + К = -6,3 + 0,7 = -5,6 В. 2. Зная падение нарг яжения на И, Р» = Ра~~ = 0,7 В, вычисляем егм отоварю !/74 7 .. ~Ч .АТд Е =12В 2.

В середине линейного участка выбирается рабочая точка РП. Пусть она будет на пересечении с кривой Х„. =~~К )при ~ = О,ОЬ мА. 3. В РТ1 определяются токи Х = 0,05 мА, 7~,а 1,8 мА, Хл 1 у + 1ЯЯ 13 8Ю иМ 3.2. ОЦЕНКА РИИЫОВ ПРИ ОГРАНИЧЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ О ПАРАМЕГРАХ ЗЛЕМБПЮВ В справочниках по полупроводниковым приборам и микросхемам ° ле, н ° ю г»т» юъе анн4е л$( чъ Г$отьаьайвойч нОйФ(ъФ ного напряжения на базовом переходе ~~ .

Как правило, для этого используется последовательный метод. Особенности счета емимов в злах на мик осхемах ~ 0,767 мА, получаем ток режимного делителя на ж 7-УУ и дифференциального каскада на ~ЧФ, И5, ИБ: Т~ ~+1, л = З,Ь вЂ” 2.0,7б7 = 2 мА, Согласно третьему и четвертому принципам примем "режимный" ток Х~, „. равным половине тока одной иэ двух параллельных ветвей на ЛУ, УТ2 Щ является усилителем напряжения и работает в режиме малого сигнала при токах базы Х = 0,01 мА. Учитывая, что базовые сопротивления 9~, Я8 для повышения входного сопротивления и стабильности выбираигся обычно порядка 10 кОм, получаем К =-Ю~' позволяет рассчитать рассеиваемую мощность с учетом переменных составляицих.

Таким образом, нужно распределить переменную составлякщую сигнала последовательной цепи между ее элементами. Общее решение этой типовой задачи состоит в пропорциональ- нике не приведены, их необходимо рассчитать по схеме ИМС. Если же к схеме ИМС присоединить внешнюю схему, то возникает единая и об- щая для любой аппаратуры задача оценки электрических режимов по схеме, состоящей из простых элементов. Общим является и метол ее по линейному закону, опираясь на справочные данные.

Например, для транзистора 2Т331В в справочнике ~3~ приведено напряжение в режиме насыщения д; = 0,4 В при токе Х. = 1 мА. Если расчетный ток составляет Х = 0,25 мА, то напряжение Щ снизится также в 4 раза ~г ко, учитывать не только ток, но и сопротивление резистора. Так„ если сопротивление базового резистора равно 109 к0н, то даже при токе базы 10 мкА падение напряжения на нем составит 1 В. Прене- брежение этим напряжением при источнике питания 5 В дает погреш- В качестве примера ключевой схемы с ограниченной информацией рассмотрим автоколебательный мультивибратор на микросхеме 722УТ1В <рис.

4.8). Типовое питание -+6,3 В обеспечивается стабилитронами С156А и резисторами Р,Р, Ю'Ф . Как видно, для расчета режимов внеш- 1,5...3,0 В. Приняв среднее значение Р~ и 2,3 В, при открытои транзисторе ЯЗ найдем $ Е1" Ц~,„ = 6,3 - 2,3 4 В. В результате заряда И потенциал на выводе 10 падае~ по зкспоненте от начального значения, равного напракении ка базе насыценного транзисто- ПРИЛОЖИтИЕ 1. ПРИМЕР РАСЧЕТА РЕКИМОВ ВЫХОДНОГО КАСКЯА .тНЧ С УЧЕТОМ СИГНАЛА Ремяитт по пгмтттнннттцг тОнтт гатгжттаинпч ттттнмтнна яннотнчняна- сопротивлениям. Если пренебречь малыми межвыводными емкостями (=5 пФ), сопротивление транзистора можно найти из соотношения Л~= ~~~~~~.

Лля определения Р~~ и У,„ проведем упрощенный рас- ~/ / чет режима по постоянному току по изложенной методике. ПРИЛ(ЖЖЕНИЕ 2. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ УСТРОЙСТВ НА МИКРОСХЕМАХ ПРИ ИЗВЕСТНЫХ НАПРИ$НИЯХ НА ВЫВО В аналогожх устройствах смешанного типа — на микросхемах По этим денным, при 70ловии развязки ~о входу и выходу и нулевом постоянном напряжении на входе (0у,<,~ — — О), легко находятая токи через резиаторы и напряжения на ваех элементах, необходимые для расчета их надежности. Так, Е~~, = Щ~/Ф= 1/91 = 0,011 мА.