Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 84

В этом случае фактическое значение часто определяется сопротивлением металлизации или проводников. Значения коэффициента стабилизации оказываются больше, чем в простейшей схеме. На рис. 10.32 показана схема так называемого колтпаратора, обеспечивающего сравнение двух напряжений. 470 Глава 10. Интаграланме схемм в) о) Рнс. 10.32. Компаратор напряжений: в — схема; б — передаточная характеристика; в — функция сравнения Пусть сначала У1 = — Е,, где Е,„— постоянное опорное напряжение. 'Гогда, при одинаковых сопротивлениях В, потенциал на инвертирующем входе будет равен полусумме величин У1 и .Е,„, т. е.

нулю. Соответственно Уз = 0 и оба диода заперты. Если теперь увеличить входное напряжение на величину ЛУ,, то потенциал инвертирующего входа станет положительным и на выходе появится отрицательное напряжение У . При этом откроется диод Д2. Как известно, напряжение ва открытом диоде — величина практически постоянная, равная У .

Принимая У,„= 0 (см. начало раздела), приходим к выводу: после отпирания диода Д2 выходное напряжение равно -У независимо от значения У1. Если ЛУ1 < О, то отпирается диод Д1, выходное напряжение делается равным +У* и тоже не зависит от У,. Величину Умо при которой отпирается тот или иной диод, называют чувствительностью компаратора Л. Ее легко оценить, поделив выходное напряжение У на коэффициент усиления Кс.' Л= У*/К . Например, если Ко = 10з„то Л м 7 мкВ. Значит, выходное напряжение фиксируется на уровнях хУ* при крайне незначительном отклонении напряжения У от — Е„. На графике, где масштаб напряжения У составляет вольты или десятые доли вольта, интервал Л изобразить нельзя и характеристика компаратора будет иметь ступенчатый характер (рис.

10.32, б). На этом и основано использование компараторов: они служат для сравнения меняющихся напряжений с эталонным напряжением Е,„и фиксации момента их равенства. Фиксация равенства характеризуется резким изменением полярности выходного напряжения (рис. 10. 32, в). В частном случае, когда Е,„= О, компаратор называют нуль-индикатором. 10.10. Операииоииме усиянтели Компаратор является простейшим элементом, выполняющим аналого-цифровое преобразование.

Он сравнивает два напряжения (входные аналоговые величины) и выдает на выходе сигнал, подчиняющийся законам двоичной логики. Если вместо одиночных диодов Д1 и Д2 использовать последовательные диодные цепочки, то выходное напряжение компаратора будет соответственно больше. Однако оно не может превышать предельных значений + Е, и — Е, о которых сказано выше.

Если вообще не включать диодов в цепь обратной связи, то выходные уровни компаратора будут равны + Е и -Ез, а чувствительность составит +Е,/Ко и — Ез/Ко.При этом значения У„отличающиеся от -Е,„на величину, большую чувствительности, соответствуют нелинейному режиму ОУ. На рис. 10.33, а показано пороговое устройство, которое работает аналогично триггеру Шмитта (см. раздел 8.9).

Рис. 10.33. Пороговое устройстао: а — схема; б — передаточная характеристика Обозначим коэффициент передачи цепи обратной связи: у Уо/Уз Я1/Ф1 + ~2) Предположим, что в начальном состоянии все потенциалы в схеме (У, Уэ и Уз) равны нулю. Можно убедиться, что это состояние неустойчиво: малейшая флюктуация вызывает лавинообразный процесс, в результате которого выходное напряжение приобретает одно из двух предельных значений: + Ет или — Ез. Делая управляющее напряжение У1 отрицательным, мы еще больше увеличим отрицательное значение У,„и поэтому не изменим выходного напряжения: оно останется равным Е .

При положительных значениях У, меньших Уо, выходное напряжение тоже не изменится, так как разность У, — Уе останется отрицательной. И только при условии Ут = Ус входное напря- Глава 10. Интегральные схемы 472 жение станет близким к нулю, а выходное напряжение начнет уменьшаться. Соответственно начнет уменьшаться потенциал Уе = уУ, „, а вместе с ним и входное напряжение.

Получается лавинообразный процесс, в результате которого выходное напряжение примет второе устойчивое значение — Ег. При этом потенциал Ус станет равным Уэ = -7Ез сО. Поскольку управляющее напряжение У за время лавинообразного процесса не изменилось и осталось равным Ус, входное напряжение запишется следующим образом: У, =Уг — Уе =7(Еь+Ег). Дальнейшее увеличение У не влияет на величину Уз. Если теперь уменьшать величину У, до нуля и в сторону отрицательных значений, то выходное напряжение не изменится до тех пор, пока потенциал Уь не сделается почти равным Ус . После этого опять произойдет лавинообразный процесс и выходное напряжение вернется к значению Е .

Функция Уз(У1) показана на рис. 10.33, б. В отличие от триггера Шмитта передаточная характеристика данной схемы двуполярная ( а при равенстве Еь = Ез еще и симметричная относительно оси Уз). Пороговое устройство служит основой для построения широкого класса импульсных схем: генераторов прямоугольных и пилообразных колебаний, формирователей импульсов и т. п. В заключение рассмотрим варианты схемы ОУ с обратной связью (рис.

10.27). Если сделать Вз = В,, то получится схема инвертирующего повторителя с коэффициентом передачи К = -1. Входное сопротивление такого повторителя равно Ви Если заменить сопротивление В конденсатором С, то операторный коэффициент передачи согласно (10,25) будет иметь вид К(з) = -1/(зСВ,). Как известно, 1/з есть оператор интегрирования. Следовательно, ОУ с такой цепью обратной связи является интегрирующим усилителем, у которого связь между выходным и входным напряжениями имеет вид: 10.11. Надежность ннтеграаьных схем 473 Если заменить сопротивление В1 конденсатором С, то согласно (10.25) К(в) - — зСВ3.

Оператор в есть оператор дифференцирования, т. е. в данном случае ОУ превращается в дифференцируюи)ий усилитель, у которого и х(1) - (Й/Й1) и (1), Аналогичным путем можно строить схемы, выполняющие другие операции. 10.11. Надежность интегральных схем В гл. 1 мы уже подчеркивали, что повышенная надежность, свойственная ИС, — один из главных факторов, обеспечивших развитие микроэлектроники как особого научно-технического направления. Надежность — не интуитивное понятие: ей свойственны количественные параметры, которые в совокупности характеризуют качество ИС.

В основе понятия надежности лежит безотказность выполнения заданных функций в оговоренных режимах эксплуатации и в течение заданного интервала времени. Отказом ИС (или других приборов) считается либо полное нарушение их работоспособности, либо только уход некоторых параметров за допустимые, заранее заданные нормы. Соответственно различают полные (катастрофические) и условные (постепенные) отказы. Примером полного отказа может служить короткое замыкание коллектора с базой, а примером условного отказа — уменьшение коэффициента б в 3 раза. Причины отказов ИС.

В основе полных отказов лежат короткие замыкания и обрывы в тех или иных частях ИС, а в основе условных отказов — медленные изменения злектропроводности и других электрофизических свойств отдельных участков ИС. Если короткие замыкания или обрывы имеют место уже до контроля, то эти дефекты проявляются в виде брака во время контроля. Если же замыкания и обрывы во время контроля находятся в стадии езарожденняе, то контроль их не обнаружит и они будут потенциальными факторами ненадежности. Перечислим типичные процессы, приводящие к коротким замыканиям и обрывам.

Глава 10. Ият«гральвые «лемы Короткое замыкание возникает либо в результате соприкосновения соединительных проводников между собой или с корпусом под действием механических вибраций или ударов, либо в результате локального перегрева и проплавления перегретого участка, либо в результате проникновения проводящего вещества через поры в диэлектрике. Последний случай часто имеет место в тонком окисле МОП-транзистора, если в корпус ИС проникает влага.

Что касается локального перегрева, то он характерен лишь для мощных транзисторов, а в ИС и тем более БИС практически не наблюдается. Обрывы могут возникать как под действием механических сил (вибраций, ударов), так и в результате электрохимических и химических процессов. В первом случае, как правило, нарушаются электрические связи соединительных проволочек с контактными площадками на кристалле или со штырьками корпуса. Что касается электрохимических и химических процессов, то они проявляются в нескольких вариантах.

Во-первых, имеет место электрохииическая коррозия металлических пленок и контактных соединений. Например, при наличии следов влаги и соляной кислоты алюминиевая металлизация превращается в окисел алюминия (А1 Оз), причем соляная кислота не расходуется, а служит лишь материалом для промежуточных реакций. Во-вторых, образуются интерлгеталлические соединения. Это явление особенно характерно для контактов разнородных металлов, например, золотой проволочки с алюминиевой контактной площадкой, В свое время такие контакты послужили причиной массовых отказов ИС благодаря образованию так называемой «пурпурной чумы« — непроводящего порошкообразного соединения на границе А1 и Ап, имеющего красный цвет.