42987

Контроль технологических процессов при изготовлении интегральных схем

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Интегральные микросхемы в настоящее время являются одними из самых массовых изделий современной микроэлектроники. Тестовые интегральные микросхемы. Удобство контроля достигается либо последовательным либо параллельным включением в электрическую цепь элементов микросхемы. Тестовые микросхемы состоят из набора нескольких сотен однотипных элементов – диодов транзисторов резисторов переходов со слоя на слой пересечений проводников и др.

Русский

2013-11-03

2.57 MB

9 чел.


Содержание лист

Введение 3

Обзор методов технологического контроля 5

1. Общая часть 11

1.1. Технические характеристики устройства 12

1.2. Структурная схема устройства 13

2. Техническая часть 14

2.1. Выбор схемы 15

2.2. Описание работы устройства 19

2.3. Разработка паспорта 20

2.4. Разработка электрических схем 25

3. Техника безопасности и противопожарная

техника при изготовлении и эксплуатации устройства 54


ВВЕДЕНИЕ


В настоящее время весьма актуальной задачей является техническое перевооружение, быстрое создание и повсеместное внедрение принципиально новой радиоэлектронной технике. В решении этой задачи одна из ведущих ролей принадлежит цифровой техники. Интегральные микросхемы в настоящее время являются одними из самых массовых изделий современной микроэлектроники. Применение микросхем облегчает расчет и проектирование функциональных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, ускоряет процесс создания принципиально новых аппаратов и внедрение их в серийное производство. Широкое использование микросхем позволяет повысить технические характеристики и надежность аппаратуры. Отечественной электронной промышленностью освоен выпуск широкой номенклатуры микросхем, ежегодно создаются десятки тысяч новых приборов для перспективных радиоэлектронных средств.

При изготовлении интегральных схем очень важным является контроль технологических процессов. Хорошо организованный контроль обеспечивает высокий процент выхода годной продукции. Успешный контроль изготовления интегральных микросхем в основном зависит от знания процесса производства и заключается в измерении и визуальной проверке основных операций технологического процесса, а также в использовании полученной информации для корректирования технологических режимов.


Обзор методов технологического контроля.

Методы технологического контроля, используемые в производстве ИМС, можно объединить в три группы:

  1.  пооперационный контроль,
  2.  визуальный контроль,
  3.  тестовые ИМС.

Методы пооперационного контроля после технологических процессов эпитаксии, диффузии и других те же, что и в производстве дискретных приборов. Сюда входят измерения толщин пленок, глубин p-n - переходов, поверхностной концентрации и др., производимые на специальных контрольных образцах, помещаемых вместе с обрабатываемыми пластинами на данную операцию.

Метод визуального контроля играет важную роль в производстве ИМС, несмотря на кажущуюся тривиальность. Он включает осмотр схем под оптическим микроскопом и использование различных средств визуализации – наблюдение термографии и др.

Наконец, один из основных методов контроля параметров ИМС на различных технологических этапах – это применение тестовых структур. Рассмотрим более подробно последний метод.

Тестовые интегральные микросхемы. Наличие в интегральных микросхемах большого количества конструктивных элементов – по несколько сотен и тысяч пересечений проводников, переходов со слоя на слой, областей и выводов активных и пассивных компонентов, контактных площадок и др. Практически исключает 100%-ный контроль всех элементов по электрическим параметрам из-за высокой трудоемкости этой операции. В это же время необходимость такого контроля, особенно на этапе отработки и совершенствования технологии, очевидна.

Для контроля электрических характеристик структур и качества проведения технологических операций используют специально изготовляемые или размещаемые на рабочей подложке структуры, называемые тестовыми микросхемами. Основной принцип их построения состоит в том, что тестовая микросхема по отношению к реальной должна быть изготовлена по тому же технологическому маршруту, содержать все конструктивные элементы в различных сочетаниях и обеспечивать удобство их контроля во время испытаний и оценку качества технологического процесса. Удобство контроля достигается либо последовательным, либо параллельным включением в электрическую цепь элементов микросхемы. Тестовые микросхемы состоят из набора нескольких сотен однотипных элементов – диодов, транзисторов резисторов, переходов со слоя на слой, пересечений проводников и др. с контактными площадками и такой коммутацией, которая позволяет при надобности изменить каждый элемент схемы отдельно или проконтролировать сразу группу элементов. Например, тестовая резисторная схема является последовательной схемой, содержащей 200 элементов, между которыми имеются контактные площадки. Если в реальной ИМС встречаются высокоомные и низкоомные резисторы, то делают две различные тестовые микросхемы, отображающие специфику каждого типа резисторов. Аналогичный подход используется для тестовых микросхем транзисторов и диодов.

Наряду с тестовыми микросхемами контроль отдельных компонентов, в первую очередь диодов и транзисторов, производится с помощью тестовых кристаллов. Тестовый кристалл содержит набор изолированных элементов, встречающихся в интегральной микросхеме. Его размеры близки к размеру чипа и на пластине расположено тестовых кристаллов столько же, сколько размещается интегральных микросхем.

Применение тестовых микросхем и кристаллов позволяет организовать эффективный технологический контроль производства ИМС и сократить трудоемкость при проведении при проведении испытаний на надежность БИС, особенно на этапе отработки технологии.

С повышением функциональной сложности интегральных микросхем резко возрастает трудоемкость и сложность операций контроля их параметров. Практически невозможно проверить интегральную микросхему без автоматизированных контрольно измерительных систем.

К основным видам контрольных испытаний интегральных микросхем относятся:

  •  Параметрический контроль
  •  Функциональный контроль
  •  Диагностический контроль

Целесообразность и эффективность применения различных видов контроля зависит главным образом от сложности и степени интеграции микросхем, типа логических элементов и целей контрольных испытаний.

Параметрический контроль. Используется для микросхем с малой интеграцией и включает в себя измерения основных параметров на постоянном токе. Кроме того, данный вид предусматривает проведение проверки правильности выполнения несложных логических функций, которая проводится одновременно с последовательным измерением выходных электрических сигналов после подачи определенной комбинации калиброванных сигналов тока или напряжения на входы интегральной схемы.

Функциональный контроль. Используется для проверки интегральных схем с высокой степенью интеграции и включает в себя проведение статистических и динамических измерений на базе контрольной тестовой таблицы, составленной, например, с помощью ЭВМ с учетом минимизации количества входных кодовых комбинаций. Функциональный контроль позволяет проводить проверку больших интегральных микросхем в условиях, близких к эксплуатационным.

Диагностический контроль. Наиболее эффективен при проведении испытаний гибридных интегральных микросхем, в которых в принципе возможна замена неисправных элементов, расположенных на общей подложке.

Сложность и многообразие программы функционального и диагностического контроля интегральных микросхем требуют обязательного использования ЦВМ и специальных автоматизированных систем. Автоматизированные системы, используемые для контроля интегральных микросхем, характеризуются следующими основными параметрами: производительностью, максимальным числом выводов, максимальным числом разрядов кодовой комбинации, выдаваемой одной командой за один цикл управления, числом контрольных постов в системе, с которыми возможна одновременная работа, составом и универсальностью программного обеспечения, возможностью выполнения параметрического контроля.

Принцип работы автоматизированной системы функционального контроля интегральных микросхем с применением ЦВМ состоит в следующем.

По команде от ЦВМ в счетчик адреса памяти записывается начальный адрес входных тестовых комбинаций, а в регистр адреса контролируемой тестовой комбинации – соответствующий адрес. На компаратор подается от ЦВМ ожидаемая комбинация входных сигналов. Несколько разрядов запоминающего устройства входных тестовых комбинаций выделено для хранения определенного числа циклов тактового генератора В течение периода хранения на входные выводы интегральной схемы должна подаваться одна и та же тестовая комбинация. Число циклов в обратном коде переписывается в счетчик повторений тестовых комбинаций, на счетный вход которого поступают тактовые импульсы. При его заполнении увеличивается содержимое счетчика адреса памяти и опрашивается запоминающее устройство входных тестов по новому адресу. При равенстве адреса счетчика памяти и регистра контролируемой комбинации прекращается подача тактовых импульсов, компаратор стробируется по времени, фиксируя входные импульсы последней тестовой комбинации.

Путем записи в регистр адреса контролируемой комбинации различных адресов проверяется интегральная микросхема с динамической логикой на всех тестовых комбинациях. Кроме указанных элементов система включает в себя схему сравнения, схему выдачи входных воздействий и вентиль.

Однако, радиодетали, даже прошедшие ОТК на заводе-изготовителе, имеют некоторый процент отказа в процессе транспортировки, монтажа или эксплуатации, что влечет за собой дополнительные затраты рабочего времени и средств для их выявления и замены (причем большую часть времени занимает именно выявление неисправных деталей). Особенно важна 100% исправность комплектующих деталей при сборке ответственных узлов управляющих систем, когда неисправность какой-либо одной детали может повлечь за собой выход из строя других деталей, узлов, а возможно, и всего комплекса в целом.

Для обеспечения полной уверенности в работоспособности той или иной радиодетали, необходимо проверять ее на исправность непосредственно перед сборкой узла или изделия (“входной контроль” на заводах и предприятиях, занимающихся производством радиоэлектронных устройств). Если большинство радиодеталей можно проверить обычным омметром (как, например, резисторы или диоды), то для проверки интегральной микросхемы (ИМС) требуется гораздо больший ассортимент оборудования.

В этом плане хорошую помощь могло бы оказать устройство, позволяющее оперативно проверять работоспособность ИМС, с возможностью проверки как новых (подготовленных для монтажа), так и уже демонтированных из платы микросхем. Очень удобна проверка микросхем, для которых конструктивно на плате изделия предусмотрены колодки. Это позволяет производить достаточно быструю проверку радиодетали, сведя риск ее выхода из строя к минимуму, поскольку в этом случае полностью исключается ее нагрев и различные механические повреждения при монтаже/демонтаже.

Существуют некоторые методы маркировки радиодеталей, отличающиеся от стандартных (к примеру, в случае, когда их выпуск и сборка готовых изделий производится на одном и том же заводе; при этом часто используется сокращенная или цветовая маркировка). Не исключением являются и микросхемы, что сильно затрудняет определение их типа. Такая маркировка обусловлена упрощением (и, как следствие, удешевлением) технологического процесса производства радиодеталей. В этом случае определение возможно с помощью того же устройства, функции которого сведены к определению типа микросхемы методом сигнатурного анализа.

Поскольку задача тестирования и определения типа методом сигнатурного анализа микросхем требует наличия интеллектуального устройства для выполнения алгоритма тестирования и базы данных, содержащей информацию по микросхемам, целесообразно проектировать именно приставку к компьютеру, подключаемую через внешний порт, а не отдельное самостоятельное устройство.

На основании изложенного тема ДП посвящена разработки прибора (приставки к компьютеру) который предназначен для выявления неисправности микросхем ТТЛ и КМОП логики.


1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ


1.1. Технические характеристики устройства

Устройство предназначено для контроля и определения типа логических интегральных микросхем методом сигнатурного анализа (тестер микросхем). Устройство может с успехом применяться для проверки комплектующих микросхем на заводах, производящих их выпуск и сборку готовых изделий; в организациях, производящих ремонт бытовой техники применяющих эти микросхемы; в любительской радиоэлектронике.

Для работы устройства необходим IBM-совместимый компьютер на базе процессора 486 или выше, имеющий в своем составе стандартный порт принтера (LPT). Для работы программы поддержки устройства необходима операционная система Windows.

Технические характеристики устройства:

Максимальное количество выводов испытуемой микросхемы 32

Логические уровни сигналов КМОП,ТТЛ

Номинальное напряжение питания микросхемы ТТЛ типа +5в

Номинальное напряжение питания микросхемы КМОП типа +9в

Регулируемое напряжение питания испытуемой микросхемы +2...+9в

Шаг регулировки напряжения питания не более 0,05В

Максимально допустимый потребляемый микросхемой ток 250 мА

Разрядность ЦАП управления напряжением 256

Разрядность ЦАП управления потребляемым током 256

Погрешность измерения потребляемого микросхемой тока, не более 1мА

Время 1-го шага тестирования 100мкс

Напряжение питания устройства 220В, 50Гц

Максимально потребляемый от сети ток 0.1А

Условия эксплуатации и хранения:

Температура окружающего воздуха 10…350С

Относительная влажность воздуха 80% при 250С

Атмосферное давление 630…800 мм. рт. ст.


1.2. Структурная схема устройства.

Разработаем структурную схему устройства, на основании которой можно будет вести дальнейшее проектирование системы.

Общая структурная схема приведена на рис.1.

Компьютер

Проектируемое

устройство

Микросхема

Сеть переменного тока

Рис.1. Общая структурная схема.

Питание устройства осуществляется от сети переменного тока ~220в, обмен данными между устройством и компьютером осуществляется посредством порта принтера LPT. Микросхема вставляется в колодку, расположенную на корпусе проектируемого устройства.


2. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.


2.1. Выбор схемы.

LPT-порт компьютера в нормальном режиме представляет собой параллельный регистр, который имеет 12 линий на вывод и 5 линий на ввод. Поскольку микросхемы имеют самую разнообразную структуру, то этого явно недостаточно для тестирования микросхем, имеющих, к примеру, 6 входов и 16 выходов (К155ИД3), или 21 вход и 1 выход (К155КП1).

Поэтому необходимо наращивание разрядности LPT-порта путем введения входных запоминающих регистров, выходных мультиплексоров и дешифратора, управляющего записью в регистры и чтением данных при помощи мультиплексоров соответственно. Применение в данном случае выходных мультиплексоров, а не регистров, обусловлено упрощением схемы, и возможно благодаря статическому характеру сигналов на выводах испытуемой микросхемы. Так как стандартный LPT-порт компьютера имеет на выходе ТТЛ-уровни, то целесообразно выбрать в качестве регистров и мультиплексоров именно ТТЛ-микросхемы.

При проектировании необходимо ориентироваться на 32 разряда (поскольку максимальное число выводов микросхем ТТЛ- и КМОП-логики не превышает 32). Так как число входных и выходных линий LPT-порта ограничено, то наиболее эффективным и удобным для программирования в этом случае будет использование 8-ми выходных линий LPT-порта для записи данных в регистры и 4-х входных линий LPT-порта для чтения данных из мультиплексоров. Для записи данных понадобятся четыре 8-разрядных регистра, для чтения данных - четыре двухвходовых 4-разрядных мультиплексора. Поскольку входные, выходные линии разделены (для ввода и вывода данных будут использоваться различные физические линии LPT-порта), то мультиплексоры можно адресовать параллельно регистрам (для адресации понадобится 4-е линии вместо 8-ми). При этом для управления выборкой входов мультиплексоров будет использоваться один бит LPT-порта на вывод (0-й бит порта 378H).

В блоке питания аналогично входным будут использованы еще три 8-разрядных регистра (2 на управление и 1 на коммутацию, речь о них пойдет ниже), которые потребуют еще 3 адресные линии.

Таким образом, для адресации 7-ми регистров понадобятся 3 дополнительные линии LPT-порта (37AH) на вывод (адресуемые при помощи дешифратора 3x8). И еще одна линия порта 37AH на вывод будет нужна для управления записью в регистры.

Так как проектируемое устройство предназначено как для тестирования микросхем ТТЛ, так и для тестирования микросхем КМОП, то после входных запоминающих регистров необходимо ввести устройство согласования по входу (для преобразования выходных ТТЛ-уровней регистров в уровни испытуемой микросхемы (КМОП или ТТЛ, в зависимости от серии). Для чтения данных с выходов испытуемой микросхемы, перед входами мультиплексоров необходимо поставить аналогичное устройство согласования по выходу (преобразование выходных КМОП или ТТЛ сигналов в ТТЛ-уровни).

При определении типа микросхемы для каждого разряда заранее неизвестно, является ли подключенный к нему вывод микросхемы входом или выходом. Потому ток, протекающий через ее вывод, должен быть выбран таким, чтобы обеспечивать максимально возможный входной ток для проверяемой серии. Нужно учесть тот факт, что ток выхода некоторых микросхем меньше этого входного тока, потому при попытке определения их типа, результаты могут быть искажены; т.к. таких микросхем очень мало, они могут быть исключены из списка определяемых. Также необходимо учитывать различие входных/выходных токов для микросхем КМОП и ТТЛ серий.

Блок питания устройства должен обеспечивать необходимое питание аппаратной части проектируемого устройства. Величины напряжения и максимально потребляемого тока в цепи нагрузки должны устанавливаться программно. Регулировка напряжения и тока нужна для того, чтобы иметь возможность измерить минимальное напряжение питания и максимально потребляемый ток для каждого конкретного экземпляра. Учитывая все вышеизложенное, в его состав включены следующие узлы:

источник питания устройства;

8-разрядный регистр для запоминания выставленного значения напряжения питания испытуемой микросхемы;

8-разрядный ЦАП для преобразования цифрового значения напряжения в аналоговое, источник опорного напряжения для него;

регулируемый стабилизатор напряжения испытуемой микросхемы;

8-разрядный регистр для запоминания выставленного значения максимально потребляемого тока;

8-разрядный ЦАП для преобразования цифрового значения макс. тока в напряжение, источник опорного напряжения для него;

датчик и преобразователь потребляемого тока в напряжение (с усилением - для согласования со следующим звеном);

устройство сравнения (компаратор) выставленного значения тока с реально потребляемым микросхемой (при превышении последнего должна срабатывать аппаратная защита);

1-разрядный регистр для запуска регулируемого источника питания в случае срабатывания защиты;

8-разрядный регистр управления коммутацией напряжения питания ИМС;

устройство коммутации питания ИМС.

8-разрядные регистры и ЦАПы могут обеспечить ступенчатую регулировку в 28=256 значений напряжения. Т.е. при опорном напряжении в 9в, шаг будет равен , этого вполне достаточно для регулировки напряжения питания ИМС. Так как максимально допустимый потребляемый микросхемой ток выбран ~250мА, то изменяя коэффициент усиления преобразователя можно добиться дискретности изменения тока в . Для определения реально потребляемого тока такой точности будет вполне достаточно.

Для чтения состояния устройства сравнения потребляемого тока необходим еще один разряд LPT-порта на ввод (3-й бит порта 379H).

Поскольку у различных микросхем питание подается на различные выводы (к примеру, у К155ЛА3 - 14 и 7 выводы, а у К155ИЕ2 - 5 и 10 выводы для подачи +5в и GND соответственно), необходимо предусмотреть все варианты подачи питания на различные выводы колодки, предназначенной для испытуемой микросхемы. Как показал анализ разновидностей питания микросхем возможны 6 вариантов включения “+” питания и 3 варианта включения GND (микросхема вставляется со смещением в сторону 16-го контакта колодки, “ключ” микросхемы при этом должен быть направлен в сторону 1-го контакта колодки). Таким образом, устройство коммутации содержит:

регистр коммутации питания

2 дешифратора (для “+” и GND соответственно);

коммутационные ключи по «+» питания;

коммутационные ключи по GND.


2.2. Описание работы устройства.

В колодку, выведенную на корпус прибора, вставляется испытуемая микросхема. На компьютере запускается программа поддержки. Она управляет подачей сигналов в порт, которые в свою очередь поступают на входные регистры и на управляющее устройство. Со входных регистров сигнал идет в устройство согласования, где идет согласование уровней сигнала между выходами регистров и входами испытуемой микросхемы как по напряжению, так и по току. Затем сигнал поступает на входы микросхемы. С выходов микросхемы сигнал поступает на устройство согласования по выходу. Где уровень сигнала с выходов микросхемы согласовывается с уровнем выходных мультиплексоров. Далее программа с выходных мультиплексоров считывает данные проверки и сравнивает их с табличными. Результат тестирования выводится на экран монитора. Управляющее устройство служит для выбора регистров и выходных мультиплексоров.


2.3. Разработка паспорта

Наименование и область применения проектируемого объекта.

Устройство предназначенное для контроля и определения типа логических интегральных микросхем методом сигнатурного анализа (тестер микросхем). Устройство может с успехом применяться для проверки комплектующих микросхем на заводах, производящих их выпуск и сборку готовых изделий; в организациях, производящих ремонт бытовой техники применяющих эти микросхемы; в любительской радиоэлектронике.

Требования к структуре.

Для работы данного устройства необходим IBM-совместимый компьютер на базе процессора 486 или выше, имеющий в своем составе стандартный порт принтера (LPT). Для работы программы поддержки устройства необходима операционная система Windows.

Описание конструкции тестера микросхем.

Устройство находится в алюминиевом корпусе. Размеры корпуса 170х120х65. Сетевой выключатель SA1 , держатель предохранителя FU1 и колодка для микросхемы Х3 находятся на его передней панели. Внутри корпуса размещен трансформатор Т1 блока питания. На задней панели находится теплоотвод, клемма заземления, разъем ” LPT- порт ” для подключения стандартного интерфейсного кабеля. При помощи этого кабеля устройство подсоединяется к соответствующему разъему компьютера. На теплоотвод установлены микросхемный стабилизатор DA2 и транзистор VT114. Эти элементы должны быть изолированы от теплоотвода  прокладками из листовой слюды.     

Платформа на которой расположены все элементы крепится к корпусу шурупами.

Рис.2 Внешний вид
Основные функции устройства.

Устройство выполняет две основные функции:

  1.  тестирование микросхем, если серия и тип испытуемой микросхемы известны;
  2.  определение типа микросхем, если тип испытуемой микросхемы заранее неизвестен и целью данного анализа служит именно определение типа микросхемы.

Технические параметры.

Устройство соответствует следующим техническим характеристикам.

Максимальное количество выводов испытуемой микросхемы 32

Логические уровни сигналов КМОП,ТТЛ

Номинальное напряжение питания микросхемы ТТЛ типа +5в

Номинальное напряжение питания микросхемы КМОП типа +9в

Регулируемое напряжение питания испытуемой микросхемы +2...+9в

Шаг регулировки напряжения питания не более 0,05В

Максимально допустимый потребляемый микросхемой ток 250 мА

Разрядность ЦАП управления напряжением 256

Разрядность ЦАП управления потребляемым током 256

Погрешность измерения потребляемого микросхемой тока, не более  1мА

Время 1-го шага тестирования 100мкс

Напряжение питания устройства 220В, 50Гц

Максимально потребляемый от сети ток 0.1А

Средства защиты от внешних воздействий.

При возникновении ситуации, когда происходит тестирование неисправной микросхемы, в тестер введена защита от повреждения, как самого устройства, так и LPT-порта компьютера.

В блок питания, также введена система защиты (аварийное отключение питания) при превышении граничных уровней потребления тока. Также в блоке питания присутствует гальваническая развязка устройства от сети.

Эксплуатация, техническое обслуживание и хранение.

Устройство должно находиться в закрытом и отапливаемом помещении.

Нормальные условия применения тестера

Температура окружающего воздуха 20˚С

Относительная влажность воздуха 30…80%

Атмосферное давление  630…795 мм.рт.ст.

Напряжение питающей сети переменного тока  220В

Форма кривой переменного напряжения питающей сети – синусоидальная.

Рабочие условия применения тестера.

Температура окружающего воздуха 10…350С

Относительная влажность воздуха 80% при 250С

Атмосферное давление 630…800мм.рт.ст.

Конструкция устройств должна соответствовать предъявляемым требованиям к электроустановкам эксплуатируемым в условиях промышленного предприятия.

Основные узлы и блоки устройства должны быть размещены рационально, к ним должен быть обеспечен доступ, для быстрой ликвидации возникшей неисправности. Обслуживание обеспечивается лицами, прошедшими инструктаж по ТБ, а также имеющими опыт работы с радиоэлектронной аппаратурой.

Основным мероприятием по обеспечению правил и надежной работы устройства являются плановые эксплутационные проверки, проводимые с определенной периодичностью и по определенному графику.

К плановым проверкам относят:

  •  систематический контроль за состоянием устройства;
  •  полная проверка устройства.
  •  частичная проверка устройства;

Требования по транспортировке.

При транспортировке должны соблюдаться предосторожности против механических повреждений и попадания атмосферных осадков. Хранение устройства должно производиться в условиях, исключающих порчу изделия в отапливаемых и вентилируемых помещениях при температуре от 5 до 40С и относительной влажности не более 80% при 25С. В местах хранения устройства в окружающем воздухе должны отсутствовать кислотные, щелочные и другие агрессивные примеси и токопроводящая пыль. При этом устройство должно быть защищено от воздействия прямых атмосферных осадков.

Документации.

Устройство обеспечивается следующими эксплуатационными документами:

  •  схема структурная
  •  схема электрическая принципиальная
  •  описание устройства
  •  инструкция по эксплуатации


2.4. Разработка электрических схем.

Функциональная схема.

На основании структурной схемы разработаем функциональную схему устройства.

Входные регистры (блок 1).

Входные регистры необходимы для запоминания выставленных значений предназначенных для подачи на вход микросхемы.

Устройство согласования по входу (блок 2).

Данный узел обеспечивает согласование между ТТЛ-выходами регис-

тров и входами испытуемой микросхемы как по напряжению (приведение уровней ТТЛ Þ КМОП или ТТЛ), так и по току. 

Устройство согласования по выходу (блок 3).

Узел служит для согласования ТТЛ или КМОП уровней, считываемых с испытуемой микросхемы, в ТТЛ-уровни, для подачи на выходные мультиплексоры.

Выходные мультиплексоры (блок 4).

 Узел представляет собой мультиплексор-преобразователь для передачи данных с 32-х входных линий на 4 выходных линии. Уровни сигналов - ТТЛ.

Управляющее устройство (блок 5).

Узел служит для выборки необходимых регистров и мультиплексоров при записи данных в регистры и считывании данных из мультиплексоров.


Рис.3 Функциональная схема 
Блок питания (блок 7).

Узел обеспечивает цифровую регулировку напряжения питания испытуемой микросхемы, цифровое управление ограничением потребляемого тока с малым шагом (благодаря чему возможно его измерение с достаточной точностью), защиту от к/з в цепи нагрузки.

Устройство коммутации цепи (блок 6).

Данный узел обеспечивает коммутацию напряжения питания, подаваемого на выводы испытуемой микросхемы. При помощи него производится также переключение -Uмс ( -1в или -9.3в, для КМОП и ТТЛ логики соответственно, в зависимости от выбранного типа микросхемы) и включение регулируемого стабилизатора напряжения.


Принципиальная схема.

Выбор элементной базы.

Для реализации программного управления напряжением питания и током потребления ИМС в качестве ЦАП выбран К572ПА1А, отвечающий требованиям разрядности (>=8 бит) и быстродействия (<100мкс).

Микросхема представляет собой умножающий ЦАП, выполненный по КМОП технологии. Предназначена для преобразования параллельного 10-разрядного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения.

Микросхема поставляется в герметичном 16-выводном металлокерамическом корпусе типа 201.16-8 с двухрядным вертикальным расположением выводов. Электрические параметры ЦАП К572ПА1А приведены в табл.1, условное графическое обозначение на рис.2, назначение выводов - в табл.2.

Таблица

Номинальное напряжение питания

15в

Ток потребления

3 мА

Дифференциальная нелинейность

+0.1%

Погрешность коэффициента преобразования

+3%

Время установления выходного тока

5 мкс

Среднее значение входного тока по цифровым входам

1 мкА

Выходной ток при опорном напряжении 10В

2 мА

Предельные значения опорного напряжения

+17в

Предельные значения напряжения питания

5...17в

ЦАП К572ПА1А (обозначение).

Таблица 2

1

1-й аналоговый выход

2

2-й аналоговый выход

3

общий

4

10-й цифровой вход (старший значащий разряд)

5

9-й цифровой вход

6

8-й цифровой вход

7

7-й цифровой вход

8

6-й цифровой вход

9

5-й цифровой вход

10

4-й цифровой вход

11

3-й цифровой вход

12

2-й цифровой вход

13

1-й цифровой вход (младший значащий разряд)

14

“+” питания

15

опорное напряжение

16

вывод резистора обратной связи

Для запоминания выставленных значений в качестве входных регистров необходимы 8-битные параллельные регистры-защелки с суммарным числом запоминаемых битов - 32. Эти регистры должны иметь тактируемый вход записи, вход разрешения параллельной загрузки, быстродействие <100мкс, не должны иметь Z-состояния (чтобы не было неопределенных уровней сигналов). Этим требованиям соответствуют 4 регистра К555ИР27.

В качестве регистров коммутации, управления напряжением и током можно выбрать К555ИР27, поскольку они обеспечивают необходимую разрядность (8 бит), управление (запись/запоминание/хранение) и быстродействие.

Микросхема выполнена в пластмассовом корпусе 1400.20-2 с двухрядным вертикальным расположением выводов.

Электрические параметры микросхемы К555ИР27 приведены в табл.3, условное графическое обозначение на рис.3, назначение выводов - в табл.4, состояния регистра ИР27 - в табл.5.

Таблица 3

Uпит., ном., В

5

U0вых., не более, В

0.5

U1вых., не менее, В

2.7

I0вх., не более, мА

-0.4

I1вх., не более, мА

0.02

Iпот., не более, мА

28

t1.0зд.р., не более, нс

30

t0.1зд.р., не более, нс

30

Регистр К555ИР27 (обозначение).

Таблица 4

1

Вход разрешения параллельной загрузки /PE

2

Выход данных Q0

3

Вход данных Q0

4

Вход данных Q1

5

Выход данных Q1

6

Выход данных Q2

7

Вход данных Q2

8

Вход данных Q3

9

Выход данных Q3

10

GND

11

Синхронный тактовый вход C

12

Выход данных Q4

13

Вход данных Q4

14

Вход данных Q5

15

Выход данных Q5

16

Выход данных Q6

17

Вход данных Q6

18

Вход данных Q7

19

Выход данных Q7

20

“+” питания

Таблица 5

Режим работы

Вход C

Вход /PE

Вход Dn

Выход Qn

Загрузка “1”

­

0

1

1

Загрузка “0”

­

0

0

0

Хранение

­

1

X

Qn’

X

1

X

Qn

В качестве управляющего устройства необходим дешифратор с количеством входов 3, количеством выходов не менее 7 и быстродействием <100мкс. Этим требованиям соответствует микросхема К555ИД7. Это двоично-десятичный дешифратор-демультиплексор, преобразующий трехразрядный код A0...A2 в напряжение низкого уровня, появляющееся на одном из восьми выходов /0.../7. Эту же микросхему можно выбрать в качестве дешифратора в устройстве коммутации питания как в цепи “+” питания, так и в цепи GND.

Микросхема выполнена в пластмассовом корпусе 238.16-2 с двухрядным вертикальным расположением выводов.

Электрические параметры микросхемы К555ИД7 приведены в табл.6, условное графическое обозначение на рис.4, назначение выводов - в табл.7, состояния регистра ИР27 - в табл.8.

Таблица 6

Uпит., ном., В

5

U0вых., не более, В

0.48

U1вых., не менее, В

2.9

I0вх., не более, мА

-0.36

I1вх., не более, мА

0.02

Iпот., не более, мА

10

t1.0зд.р., не более, нс

41

t0.1зд.р., не более, нс

27

 

Дешифратор К555ИД7 (обозначение).

 Таблица 7

1

Вход данных A0

2

Вход данных A1

3

Вход данных A2

4

Вход разрешения /E1

5

Вход разрешения /E2

6

Вход разрешения E3

7

Выход данных /7

8

GND

9

Выход данных /6

10

Выход данных /5

11

Выход данных /4

12

Выход данных /3

13

Выход данных /2

14

Выход данных /1

15

Выход данных /0

16

“+” питания

Для считывания данных с выводов испытуемой микросхемы (для перевода 4-битного кода в 8-битный) необходимы двухвходовые 4-канальные мультиплексоры без инверсии, с суммарным числом считываемых бит - 32 и быстродействием <100мкс. Этим требованиям соответствуют 4 микросхемы К555КП11.

Микросхема выполнена в пластмассовом корпусе 238.16-2 с двухрядным вертикальным расположением выводов. Электрические параметры микросхемы К555КП11 приведены в табл.9, условное графическое обозначение на рис.5, назначение выводов - в табл.10, состояния мультиплексора КП11 - в табл.11.

Таблица 8

Uпит., ном., В

5

U0вых., не более, В

0.48

U1вых., не менее, В

2.5

I0вх., не более, мА

-0.76

I1вх., не более, мА

0.02

I0пот., не более, мА

13.6

I1пот., не более, мА

9.7

t1.0зд.р., не более, нс

21

t0.1зд.р., не более, нс

18

Мультиплексор К555КП11 (обозначение).

Таблица 9

1

Вход адреса данных S

2

Вход данных I 1a

3

Вход данных I2a

4

Выход данных Ya

5

Вход данных I1b

6

Вход данных I2b

7

Выход данных Yb

8

GND

9

Выход данных Yc

10

Вход данных I1c

11

Вход данных I2c

12

Выход данных Yd

13

Вход данных I1d

14

Вход данных I2d

15

Вход разрешения трансляции данных на выходы /E0

16

“+” питания


Таблица 10

Входы

Выходы

/E0

S

I1

I2

Y

1

X

X

X

Z

0

0

0

X

0

0

0

1

X

1

0

1

X

0

0

0

1

X

1

1

Описание состава принципиальных схем в сопоставлении с соответствующими структурными схемами узлов.

После выяснения структуры устройства и выбора элементной базы можно приступать к проектированию принципиальной схемы. Схема находится в приложении 3,4. Прилагается перечень элементов.

Входные регистры.

Данный узел представляет собой 32-разрядный запоминающий регистр с ТТЛ-уровнями, без Z-состояния, использующий 8 входных линий данных и несколько линий управления на 32 выходных линии. Работает следующим образом: на контакты 2-9 разъема LPT-порт подаются 8 бит данных. На один из контактов 1-4 разъема X1 (с дешифратора) подается логический “0” - выбор регистра, в который должна быть произведена запись. Перепадом логических уровней “0”Þ”1” на контакте 16 разъема LPT-порт происходит защелкивание данных в выбранном регистре. Запись данных в остальные регистры производится аналогичным образом.

Питание узла: микросхемы DD2-DD5: 10 вывод - GND, 20 вывод - +5в. Максимально потребляемый ток I1+5в потр.= 28мА*4 = 112мА


Рис.4 Входные регистры
Устройство согласования по входу.

Данный узел обеспечивает согласование между ТТЛ-выходами регистров и входами испытуемой микросхемы как по напряжению (приведение уровней ТТЛ Þ КМОП или ТТЛ), так и по току.

Максимальные входные токи для микросхем ТТЛ логики равны: ток “0” - 2мА, ток “1” - 0.1 мА. Напряжение +Umc - напряжение питания испытуемой микросхемы. Для ТТЛ микросхем оно равно +5в. Для КМОП микросхем - +9в. При помощи него формируется входной ток “1”.Напряжение -Umc зависит от выбранного типа микросхемы (задается пользователем, выставляется при помощи одного бита управляющего регистра). Для ТТЛ микросхем оно равно -9.3В. Для КМОП микросхем - -1в.

Расчет резисторов R33 и R65 в цепях стоков транзисторов VT1 и VT33 соответственно:

а) Для ТТЛ типа (считаем падение напряжения на открытых полевых транзисторах близким к 0):

R33 = (|+Umc|-2.4в)/I1вх.макс.ТТЛ = 2.6в/0.1мА = 26К » 27К

R65 = (|-Umc|-Uпад.VD2)/I0вх.макс.ТТЛ = 9.3в-1.1в/2мА » 4.3К

б) Для КМОП логики соответственно:

I1вх.макс.КМОП = (|+Umc|-7в)/R33 = 9в-7в/27К » 0.07 мА

I0вх.макс.КМОП = (|-Umc|-Uпад.VD2)/R65 = 0.3в/4.3К » 0.07 мА

Диоды VD1 и VD2 нужны для ограничения потенциала U0вх. (т.е. этот потенциал не должен быть ниже потенциала общего провода, поскольку при этом возможен выход из строя микросхем КМОП логики). Значения 2.4в и 7в в формулах - это минимальные уровни логической “1” для ТТЛ и КМОП микросхем соответственно.

Данный узел инвертирует значение входного сигнала. Разъем X3 является панелью для вставки испытуемой микросхемы.

Узел работает следующим образом:

При подаче на вход логической “1”, напряжение на затворе транзистора VT1 будет близко к +5в, вследствие чего он находится в закрытом состоянии. Канал исток-сток этого транзистора имеет большое сопротивление, и ток через него не течет (не учитывая очень малые токи утечки). В то же время транзистор VT33 открыт, т.к. напряжение между подложкой и затвором равно около +5в. Через него, резистор R65 и диод VD2 течет ток, равный » 2мА. При подключении входа испытуемой микросхемы к аноду диода VD1, часть этого тока пойдет через него, обеспечивая уровень логического “0” на входе микросхемы. Диод VD1 нужен для компенсации падения напряжения на VD2, чтобы не допустить на входе микросхемы уровня напряжения ниже уровня общего провода (что является причиной выхода из строя КМОП микросхем).

При подаче на вход уровня логического “0” наоборот, транзистор VT33 будет закрыт, транзистор VT1 - открыт. Ток потечет через переход исток-сток транзистора VT1, резистор R33 и вход испытуемой микросхемы. Максимальный входной ток для ТТЛ микросхем будет примерно U1вх;макс.=(|+Uмс| - 2.4в)/R33 » 0.1мА.

Питание узла: +Uмс, -Uмс, +5в.

Максимально потребляемые токи (+Uмс.макс.=+9в, -Uмс.макс.=-10в):

I2+Uмспотр.= (+Uмс.макс./R33)*32 = (9в/27000)*32 » 11мА

I2-Uмспотр.= (|-Uмс.макс.+UVD2|/R65)*32 = (9.3в/4300)*32 » 69мА

I2+5впотр.= Iзатв.VT1*32 » 0мА (Iзатв.VT1 имеет малую величину, порядка нескольких микроампер, поэтому в расчет не принимается).

 


Рис.6 Устройство согласования по входу
Устройство согласования по выходу.

Узел служит для согласования ТТЛ или КМОП уровней, считываемых с испытуемой микросхемы, в ТТЛ-уровни, для подачи на выходные мультиплексоры. Представляет собой простейшую схему включения NPN-транзистора с ОЭ. Инвертирует входной сигнал. Работает следующим образом:

При подаче на вход логической “1” в цепи базы течет ток, равный Iб=(|+Uмс|-Uбэ)/R97. Iб»0.043мА для ТТЛ и Iб»0.083мА для КМОП микросхем. Ток в цепи коллектора Iк=(5в-Uбэ)/R129 » 0.43мА. Потенциал на коллекторе транзистора равен ~0.7в, что на входе мультиплексора будет воспринято как уровень логического “0” (поскольку для серии К555 напряжение U0вх.макс.=0.8в).

При подаче же на вход логического “0”, транзистор будет закрыт. Напряжение на коллекторе будет близко к +5в. Ток потечет через R129 и вход мультиплексора.

Питание узла: +5в. Максимально потребляемый ток: I3+5впотр.= ((+5в-Uкэ VT65)/R129)*32 = (4.3в/10000)*32 » 14мА

Рис.7 Устройство согласования по выходу
Выходные мультиплексоры.

Узел представляет собой мультиплексор-преобразователь для передачи данных с 32-х входных линий на 4 выходных линии. Уровни сигналов - ТТЛ. В схеме используется параллельное включение выходов и раздельное управление выборкой мультиплексоров.

Узел работает следующим образом: на один из выводов 1-4 разъема X1 для выборки нужного мультиплексора подается уровень логического “0”. При помощи вывода 2 разъема LPT-порт подачей “0” или “1” производится выбор входов мультиплексора. На выходах мультиплексора появляются данные с соответствующих входов. Эти данные могут быть считаны с выводов 10-13 разъема LPT-порт. Далее 2 считанных ниббла (по 4 бита) программно собираются в 1 байт (8 бит).

Питание узла: +5в (микросхемы DD13-DD16).

Максимально потребляемый ток: I4+5впотр.= 19мА*4 = 72мА


Рис.8 Выходные мультиплексоры
Управляющее устройство.

Узел служит для выборки необходимых регистров и мультиплексоров при записи данных в регистры и считывании данных из мультиплексоров. Является дешифратором адреса 3x8.

Узел работает следующим образом: при подаче на выводы 1,14,16 разъема LPT-порт двоичного кода, на соответствующем выводе разъема X1 появляется уровень логического “0”. При этом производится выборка соответствующего регистра или мультиплексора.

Питание узла: +5в (DD1, 8 вывод - GND, 16 вывод - +5в).

Максимально потребляемый ток I5+5впотр.= 10мА

Рис.9 Управляющее устройство
Блок питания.

Узел обеспечивает цифровую регулировку напряжения питания испытуемой микросхемы, цифровое управление ограничением потребляемого тока с малым шагом (благодаря чему возможно его измерение с достаточной точностью), защиту от к/з в цепи нагрузки.

Рис.10 Управляющее устройство


Узел работает следующим образом:

а) Регулировка напряжения. В регистр DD7 программно записываются 8 бит значения напряжения (числовые значения лежат в диапазоне от 0 (0H) до 255 (0FFH)). С выхода этого регистра 8 бит поступают на умножающий ЦАП (DA3), где преобразуются в аналоговое напряжение. Выбранный ЦАП имеет разрядность 10 бит. Его младшие 2 бита не используются (заземлены). Их использование в данном случае нецелесообразно, так как это потребовало бы введения дополнительных разрядов у запоминающего регистра, что сделало бы точность установки напряжения питания избыточной и усложнило устройство. С точки зрения программирования и размещения данных также намного удобнее и эффективнее работать с 8-битными величинами, нежели с 10-битными.

Опорное напряжение для DA3 поступает с VD65 и равно +9в. Резистор R161 выбран из расчета, что Uвх.»13в, Iстаб.»10мА, R161=(Uвх.-Uстаб.)/Iстаб.=(13-9)/10»390ом. Шаг регулировки в этом случае будет равен 9в/256»0.04в. Далее напряжение с аналогового выхода DA3 поступает на вход регулируемого стабилизатора напряжения DA1, включенного по типовой схеме с внешним транзистором VT98. С эмиттера этого транзистора снимается напряжение питания устройства согласования +Uмс, а через резистор R171 - напряжение +Uпит.мс., предназначенное для питания испытуемой микросхемы.

б) Регулировка потребляемого тока. В регистр DD8 программно заносятся 8 бит значения ограничиваемого тока (0-255). Аналогично регулировке напряжения, для преобразования численного значения в напряжение используется ЦАП DA4. При опорном напряжении +9в, шаг регулировки напряжения на аналоговом выходе DA4 равен примерно 0.04в.

Как было сказано выше, в цепи питания испытуемой микросхемы стоит резистор R171. Он служит простейшим преобразователем ток-напряжение, т.к. напряжение на нем прямо пропорционально току, проходящему через данный резистор: UR171=Iпотр.*R171. Для развязки разности потенциалов, снимаемых с данного резистора применен дифференциальный усилитель на ОУ DA6. При равенстве сопротивлений R163=R164 и R165=R166 Uвых.ОУ.=UR171(R165/R163)=Iпотр.*R171*R165/R163.

Для уменьшения погрешности измерений, R171 должен быть выбран как можно меньше, чтобы падение напряжения на нем было минимальным. Чувствительность можно поднять за счет увеличения усиления (соотношения R165/R163) дифференциального усилителя. Примем R171=0.1ом. Поскольку максимальный потребляемый ток Iпит.мс. выбран 256мА, то макс. падение напряжения на R171, соответствующее этой величине, будет 256мА*0.1ом=25.6 мВ. При напряжении питания в +9в погрешность составит 0.0256в/9в*100%=0.28%, что по величине меньше суммарной погрешности ЦАП. Напряжению 25.6мВ на входе дифференциального усилителя должно соответствовать напряжение +9в на его выходе, чтобы обеспечить сравнение сигналов, поступающих с ЦАП и с усилителя. Т.е. коэффициент усиления должен быть равен R165/R163=9в/0.0256в=351.5. Выбрав R163=1К, получим R165»360К.

Сигналы с выходов дифференциального усилителя DA6 и ЦАП DA4 поступают на вход компаратора DA5. На выходе компаратора появляется сигнал сравнения, который в свою очередь подается на вход S триггера DD12. Данный триггер обеспечивает хранение состояния включен/выключен для регулируемого стабилизатора напряжения DA1. Вход R триггера DD12 используется для сброса сработавшей аппаратной защиты по току. При инициализации устройства на контакте 1 разъема X5 выставляется уровень логической “1”, который поступает на базу транзистора VT98. Этот транзистор инвертирует входной сигнал и обеспечивает согласование уровней; сигнал с его коллектора (в нормальном режиме - логический “0”) поступает на вход R триггера DD12.

Если реально потребляемый ток меньше выставленного цифрового значения в регистре DD8 (положительный потенциал на прямом входе 3 компаратора ниже потенциала на его инверсном входе 4), то на выходе компаратора DA5 напряжение близко к 0в. Оно поступает на вход S триггера. Состояние триггера остается неизменным, на выходе Q DD12 и входе +Uвыкл. DA1 присутствует уровень логического “0”; на испытуемую микросхему подается напряжение питания.

Если же реально потребляемый ток превышает выставленное в регистре DD8 цифровое значение (соответственно потенциал на входе 3 DA5 выше потенциала на входе 4), то на выходе компаратора появляется напряжение около +12в, которое подается на вход S триггера DD12. На выходе Q триггера появляется напряжение логической “1” (+12в), которое, в свою очередь подается на вход +Uвыкл. DA1, и приводит к снятию напряжения питания с нагрузки. Теперь для включения стабилизатора напряжения питания необходимо программно осуществить перепад напряжения “1”Þ”0”Þ”1” на контакте 1 разъема X5, но при этом включение будет возможно только при условии, что реальная нагрузка ниже выставленной цифровой. В противном случае на выходе Q триггера DD12 останется уровень логической “1” (поскольку на входе S будет +12в с компаратора) и стабилизатор не будет включен.

Для контроля состояния выхода компаратора DA5 используется контакт 15 разъема LPT-порт. На него данный сигнал поступает через резистор R169 и стабилитрон VD67, служащие для его преобразования к ТТЛ уровню. Присутствие логической “1” на нем показывает, что потребляемый испытуемой микросхемой ток превышает программно выставленный.

Конденсаторы C1, С2 служат для сглаживания пульсаций в цепях формирования опорного напряжения, C4 - в цепи питания испытуемой микросхемы.

Питание узла: +5в (DD7, DD8, DA3, DA4), +Uвх. (из него формируется +Uмс, +Uпит.мс, питания микросхем DD12, DA5, DA6 и опорные напряжения для микросхем DA3, DA4).

Максимально потребляемые токи:

I6+5впотр.= Iпотр.DD7*2 + Iпотр.DA3*2 = 28мА*2 + 2мА*2 = 60 мА

I6+Uвх.потр.= IR161 + IR162 = (Uвх.-Uстаб.VD65)/R161 + (Uвх.-Uстаб.VD66)/R162 = (13в-9в)/390ом + (13в-11в)/270ом = 10+7 мА = 17мА

Устройство коммутации питания.

Данный узел обеспечивает коммутацию напряжения питания, подаваемого на выводы испытуемой микросхемы. При помощи него производится также переключение -Uмс ( -1в или -9.3в, для КМОП и ТТЛ логики соответственно, в зависимости от выбранного типа микросхемы) и включение регулируемого стабилизатора напряжения.

Работает следующим образом:

Аналогично записи во входные регистры, в регистр DD6 программно записывается 8-битное число. Путем анализа разновидностей питания ТТЛ и КМОП микросхем установлено, что необходимо коммутировать 6 выводов испытуемой микросхемы по “+” и 3 вывода по GND.

а) Коммутация “+” питания испытуемой микросхемы. 0-2 биты регистра DD6 отвечают за коммутацию “+” питания микросхемы. Эти сигналы с регистра поступают на дешифратор DD9, где шестнадцатеричное число (0-7H), преобразуется в двоичную форму. Результат появляется на выходах дешифратора в инверсном виде (на выбранном будет уровень логического “0”, на остальных выходах дешифратора - уровень логической “1”). Буферная микросхема DD11 (с ОК, без инверсии) служит для умощнения выходных сигналов дешифратора. Для примера, пусть логический “0” будет присутствовать на 0 дешифратора DD9. Через резистор R172 он поступит на базу транзистора VT99. Данный транзистор будет в открытом состоянии, и с его эмиттера через переход КЭ напряжение +Uпит.мс. поступит на соответствующий вывод микросхемы. На транзисторе при этом образуется падение напряжения Uкэ»0.7в. Остальные транзисторы будут закрыты, и влиять на работу практически не будут (исключая малый ток утечки, которым можно пренебречь).

Номинал резистора R172 выбран из следующих соображений: Iкэ VT99 = 256мА. Кэ VT99 возьмем минимальным (равным 25). Тогда Iб VT99 min » 10мА. Следовательно, взяв минимальное +Uпит.мс.= 5в, получим R172= (+Uпит.мс-Uкэ VT99)/Iб VT99 min = 4.3в/0.01А » 430 ом.

Резистор R181 служит для поддержания транзистора VT99 в закрытом состоянии при отсутствии сигнала “0” на входе.

б) Коммутация GND. 3-5 биты регистра DD6 отвечают за коммутацию GND питания испытуемой микросхемы. Аналогично коммутации “+” питания микросхемы (Uпит.мс.), сигналы с соответствующих выводов регистра DD6 поступают на дешифратор DD10. На одном из его выходов появляется логический “0”. На остальных выходах остается уровень логической “1”. Этот “0” поступает на электронный ключ, собранный на 2-х транзисторах. Для примера, пусть логический “0” присутствует на выходе /0 дешифратора DD10. Тогда транзистор VT109 (необходимый для согласования по напряжению, а также умощнения выхода дешифратора) будет открыт, транзистор VT105 также будет открыт, и на коллекторе VT105 будет потенциал, равный уровню GND (поскольку напряжение -0.7в компенсируется падением напряжения Uкэ VT105). Остальные же транзисторы (на других выходах дешифратора) будут закрыты, и влиять на работу практически не будут (исключая очень малый ток утечки, которым можно пренебречь).

Резистор R178 рассчитан аналогично R172 из а) и равен 430 ом. Резистор R192 служит для поддержания транзистора VT105 в закрытом состоянии, в случае, когда закрыт транзистор VT107. Резистор R189 рассчитывается исходя из Кэ VT107=25, Iб VT105 = Iк VT107 » 10мА. Iб VT107 min = Iк VT107/ Кэ = 10мА/25 = 0.4мА

R189 = (+5в-Uкэ VT107)/Iб VT107 min = 4.3в/0.4мА » 10к

в) Коммутация -Uмс. Производится при помощи бита 6 регистра DD6. Сигнал с него через R187 поступает на базу транзистора VT108, служащего для согласования уровней напряжения. С коллектора транзистора VT108 сигнал через резистор R188 поступает на базу транзистора VT112, которым производится коммутация напряжения. В случае, если на выходе DD6 присутствует уровень логического “0”, то транзисторы VT108 и VT112 открыты, переход КЭ транзистора VT112 шунтирует стабилитрон VD68, и напряжение -Uмс=-10в+Uкэ.VT112= (-10+0.7)в = 9.3в.

Если же на выходе DD6 присутствует уровень логической “1”, то VT108 и VT112 закрыты, а напряжение -Uмс = (-10в+Uстаб.VD68) = (-10+9)в = 1в.

г) Включение напряжения питания. Осуществляется при помощи 7 бита регистра DD6. Данный сигнал идет в схему блока питания, где и производится управление.

Питание узла: +5в (DD6, DD9-DD11), -10в (для формирования -Uмс.), -0.7в (для коммутации GND), +Uпит.мс. (для коммутации “+” питания).

Максимально потребляемые токи:

I7+5впотр.= Iпотр.DD6 + Iпотр.DD9*2 + Iпотр.DD11 + IR188 + IR178 = Iпотр.DD6 + Iпотр.DD9*2 + Iпотр.DD11 + (5в+10в-Uкэ.VT108-Uкэ.VT112)/R188 + (5в-Uкэ.VT109)/R178 = 28мА + 10мА*2 + 30мА + 13.6в./10к + 4.3в/430ом = 89мА

I7-10впотр.= IR188 = (5в+10в-Uкэ.VT108-Uкэ.VT112)/R188 = 1мА

I7-0.7впотр.= IR178 = (5в-Uкэ.VT109)/R178 = 10мА

I7+Uпит.мс.потр.= IR172 = (+Uпит.мс.макс.-Uкэ.VT99)/R172 = (9в-0.7в)/430ом = 7мА


Рис.11 Устройство коммутации питания
Источник питания устройства.

Данный узел обеспечивает питание всех остальных узлов проектируемого устройства. Перед началом проектирования схемы необходимо выяснить максимально потребляемый ток по каждому из напряжений питания (I+5впотр., I-10впотр., I-0.7впотр., I+Uвхпотр.). Максимально потребляемый ток Iмс.потр.макс. = 256мА.

I+5впотр.= I1+5впотр.+ I2+5впотр.+ I3+5впотр.+ I4+5впотр.+ I5+5впотр.+ I6+5впотр.+ I7+5впотр.= 112мА+0мА+14мА+72мА+10мА+60мА+89мА = 357мА

I-10впотр.= I2-Uмспотр.+ I7-10впотр.= 69мА+1мА = 70мА

I-0.7впотр.= I7-0.7впотр.+ Iмс.потр.макс. = 10мА + 256мА = 266мА

I+Uвх.потр.= I2+Uмс.потр.+ I6+Uвх.потр.+ I7+Uпит.мс.потр.+ Iмс.потр.макс. = 11мА+17мА+7мА+256мА = 291мА

Таким образом, для нормального функционирования устройства необходимы следующие напряжения питания:

+5в(400мА), -10в(100мА), -0.7в(300мА), +13в(350мА).

Напряжения +13в и -10в могут быть выпрямленными, сглаженными, но нестабилизированными (т.к. в схеме блока питания из +13в далее получаются стабилизированные, а -10в служит лишь для обеспечения I0вх. на входах испытуемой микросхемы).

Потому необходим двуполярный источник питания с напряжениями +13в и -10в, из которых при помощи дополнительных стабилизаторов получаются напряжения +5в и -0.7в. При этом токи потребления по соответствующим напряжениям будут суммироваться. Т.е. от плеча +13в будет потребляться ток порядка 400+350=750мА, а от плеча -10в соответственно 100+300=400мА.

Для источника питания требуется трансформатор T1 с 2-мя вторичными обмотками, 2 диодных выпрямительных моста (VD69-VD76) и 2 сглаживающих конденсатора. Мощность трансформатора должна быть не менее 13в*0.75А+10в*0.4А=13.75Вт. Под эти требования подходит трансформатор ТПП-207-127/220-50.

В качестве стабилизатора +5в выбрана микросхема КР142ЕН5А по типовой схеме включения, в качестве стабилизатора -0.7в - регулируемая схема на двух транзисторах (VT113, VT114). Причем в связи со столь малым напряжением, стабилизация производится не относительно “земли” (что не удалось бы осуществить в связи с суммарным падением напряжения на переходах БЭ транзисторов порядка 1.4в), а относительно стабилизированного источника +5в.

Настройка данного узла заключается в подстройке точного значения напряжения -0.7в на выходе блока питания при помощи подстроечного резистора R198.

Рис. 12 Источник питания устройства


3. ТЕХНИКА

БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА ПРИ

ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТРОЙСТВА


При разработке данного дипломного проекта необходимо предусмотреть мероприятия по обеспечению безопасности и производственной санитарии.

Главным объектом анализа при разработке тестера микросхем является радиомонтажный участок.

При проведении монтажных работ возникает множество опасных и вредных  факторов, как для самого монтажника, так и для окружающих – это возможность поражения электрическим током, ожоги от нагретых частей паяльника, возможность возникновения пожара, отравления вредными газами и испарениями при пайке, отравление испарениями используемых вредных для организма  веществ и химикатов.

Следует также рассмотреть возможные негативные воздействия данного процесса на окружающую среду и определить опасные и вредные факторы, возникающие в процессе.

Следует также учесть возможность возникновения чрезвычайных ситуаций. С точки зрения пожаробезопасности объектом анализа может служить не только участок, но и предприятие в целом.

Анализ потенциальной опасности объекта анализа для персонала и окружающей среды.

Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов на монтажном участке сборки печатных плат.

Согласно ГОСТ 12.00.03-74 при проведении паяльных работ необходимо учитывать определенные вредные и опасные факторы.

1) Монтажные работы производятся электрическим паяльником с первичным питанием от сети 220 В, частотой 50 Гц. В результате возникает опасность поражения электрическим током, что может привести к различным травмам: электрическим ожогам, электрическим ударам различной степени тяжести, механическим повреждениям. Помещения радиомонтажного участка относятся к помещениям с повышенной опасностью поражения электротоком. Предельно допустимый уровень тока Iпр=500мА (при t≤0,1с) в соответствии с ГОСТ 12.1.038-82.

2) Недостаточная освещенность помещения и рабочих мест приводит к быстрой утомляемости. Это ухудшает зрение, оказывает вредное воздействие на центральную нервную систему человека, может явиться причиной травматизма. Согласно СНиП 23-05-95 монтажные и наладочные работы относятся к V разряду зрительных работ – работам малой точности с наименьшим размером объекта различения 1 мм. Контраст объектов различения – малый, фон – темный, величина освещенности 500 Лк.

3) В процессе пайки возможны случайные прикосновения к жалу паяльника, а также попадание расплавленного припоя или флюса на незащищенные участки кожи, что может привести к получению ожогов.

4) При пайке оловянно-свинцовым припоем типа ПОС-61 с применением спиртового раствора, флюса в воздух выделяются пары свинца, олова, висмута, серебра, этилового спирта. Их предельно допустимые концентрации (ПДК) согласно ГОСТ 12.10.05-88 составляют:

- свинец 0,01 мг/м3,     класс опасности –I, А;

- висмут 0,05 мг/м3,      класс опасности – II, О;

- серебро 0,50 мг/м3 ,   класс опасности – II, Ф;

- олово   10,0 мг/м3 ,     класс опасности – III, А;

      - этиловый спирт 19 мг/м3,     класс опасности - IV;

Эти вещества, попав в организм человека через дыхательные пути, могут оказать на него неблагоприятные воздействие. Свинец относится к первому классу опасности. Агрегатное состояние – аэрозоль, размер частиц          0,7...7 мкм. Под воздействием свинца нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, нервной системы, сосудов.

Пары этилового спирта так же могут вызвать тяжелые отравления организма.

5) В процессе изготовления и обработки печатных плат в воздух выделяется металлическая пыль, пыль свинца и его неорганических соединений. При длительном нахождении человека в запыленной среде (ПДК пыли свинца и неорганических соединений 0,1 мг/м3 ГОСТ 12.1.005-88, ПДК металлической пыли 6,0 мг/м3 ГОСТ 12.1.005-76) возникает опасность отравления, поражения дыхательных путей и слизистой оболочки глаз, а так же развитие профессиональных заболеваний, называемых пневмокониозами.

6) Пары растворителей. Присутствие в воздухе рабочей зоны паров, такого растворителя как ацетон, вызывает у работающих острое хроническое отравление, головную боль, галлюцинации, предельно допустимая концентрация ацетона в воздухе 2,2 мг/м3.

7) Пары свинца. Долгое нахождение работающих в рабочей зоне, воздух которой содержит пары свинца, вызывает нарушение нервной системы, изменение крови и сосудов, изменения в печени. По санитарной характеристике они относятся к III группе производственных процессов: производственные процессы, вызывающие загрязнение веществами I и II классов опасности (СНиП 2.09.04-87).

Микроклимат производственного помещения выбирается в соответствии с категорией работ по энергозатратам. Монтажные и наладочные работы, по категории тяжести, относятся к I категории: легкие физические работы, производимые сидя с энергозатратами до 139 Вт. Параметры микроклимата для данной категории приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. «Оптимальные нормы микроклимата»

Период года

Категория работ

Температура воздуха, 0С

Относительная влажность воздуха, %

Скорость движения воздуха, м/с

Холодный

Легкая 1Б

21 – 23

40 – 60

0,1

Теплый

Легкая 1Б

22 – 24

40 – 60

0,2

Параметры метеорологических условий должны контролироваться на рабочих местах. Для измерения температуры воздуха применяются термометры, для измерения влажности – психрометры, скорость движения воздуха измеряют анемометрами. Оптимальный микроклимат в помещении обеспечивают поддержание теплового равновесия между организмом человека и человеческой средой.

Анализ производственных воздействий монтажного участка сборки печатных плат на окружающую среду.

При производстве монтажных работ в атмосферу выделяются вредные вещества в виде аэрозолей металлов, содержащихся в припое, и паров флюса.

Превышение допустимых концентраций этих веществ в атмосфере могут оказать неблагоприятное воздействие на жителей прилегающих территорий. В результате их воздействия могут возникнуть те же заболевания, что и у производственного персонала. Кроме того, выделяющиеся вредные и опасные вещества оказывают неблагоприятное воздействие на флору и фауну.

Среднесуточные ПДК названных вредных веществ в воздухе населенных мест составляют:

- для свинца – 0,0003 мг/м3;

- для окиси кадмия – 0,0001 мг/м3;

- для окиси цинка – 0,05 мг/м3;

- для этилового спирта – 0,5 мг/м3.

Пыль, возникающая при работе оборудования, так же может загрязнять атмосферу.

Кроме того, возможны загрязнения окружающей среды отходами сварочно-монтажных работ. К твердым отходам относятся: макулатура, тара, ветошь, устаревшее оборудование.

Поскольку освещение помещений радиомонтажного участка осуществляется светильниками с люминесцентными лампами ЛД и ЛБ-40, которые изготавливаются с использованием опасных для здоровья и экологически вредных веществ (ртуть), то неправильное их хранение может явиться причиной загрязнения. Для предотвращения загрязнения окружающей среды отработанные лампы упаковываются и утилизируются на станциях демеркуризации.

Рассматриваемое предприятие может служить источником загрязнения гидросферы. Особенно опасны отработанные гальванические растворы сливы кислот, щелочей и растворителей. Источником загрязнения могут стать канализационные и хозяйственные бытовые стоки.

Анализ возможности возникновения на монтажном участке сборки печатных плат чрезвычайных ситуаций.

К чрезвычайным ситуациям относится возможность возникновения пожара на участке, причиной которого могут стать: неправильное устройство отопительной системы, неисправность электрооборудования, самовозгорание СВЖ.

В частности, паяльники непрерывного электрического нагрева имеют встроенный электронагреватель. Наличие разогретых до высоких температур деталей и инструментов делает возможным возникновение пожара. При пожаре возникают следующие опасные воздействия на человека: огонь, искры, повышенная температура воздуха, дым, токсичные продукты горения, повреждение и обрушивание оборудования, перекрытий помещений.

Использование в технологическом процессе этилового спирта создает потенциальную возможность возникновения пожара. Этиловый спирт имеет температуру самовозгорания 404 С. согласно ГОСТ 12.10.11-78 этиловый спирт относится к группе взрывоопасных смесей.

Согласно НПБ 105-95 радиомонтажный участок относится к категории Г по пожароопасности, так как спирт на нем находится в незначительных количествах, недостаточных для образования взрывоопасной смеси.

В летний грозовой период чрезвычайные ситуации (пожар, взрыв, разрушения, поражения людей) может вызвать прямое попадание молнии. Наряду с прямым ударом могут так же воздействовать вторичные появления молнии в виде электрической и электромагнитной индукции, которые могут вызвать искрение или нагревание в местах плохих электрических контактов между металлическими элементами. В результате чего, также возможно возгорание.

Здания, сооружения или их части с производствами, относящимися к классу В (ПУЭ), относится к категории II устройств молниезащиты. Производственная зона радиомонтажного участка согласно РД  34.21.122-87 соответствует типу зоны «А».

Среднегодовая интенсивность грозовой деятельности в районе расположения радиомонтажного участка составляет от 40 до 60 часов.

Мероприятия и средства по технике безопасности.

Мероприятия по исключению поражений электрическим током.

Электропитание аппаратуры на радиомонтажном участке осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц. Для защиты от поражения электрическим током проектом предусмотрено следующее:

- для обеспечения качественной защиты от поражения электрическим током используется схема электропитания с глухозаземленной нейтралью в соответствии с ГОСТ 12.1.030-81

- питание электропаяльников осуществляется через понижающий транс-форматор с выходным напряжением 36 В, ручка паяльника изготовлена из электроизоляционного материала;

- электроаппаратура снабжена автоматической системой отключения в аварийной ситуации АСТРО УЗО;

- подставки для электропаяльников изготовлены из диэлектрических негорючих материалов.

Заземление осуществляется путем подключения приборов к заземляющей шине, которая должна быть соединена с заземляющим устройством, имеющим сопротивление не более 4 Ом, в соответствии с ГОСТ 12.1.030-81.

Для обеспечения техники безопасности предусмотрены следующие мероприятия:

Для предотвращения попадания вредных паров припоя и канифоли в организм работающего, монтажные столы снабжены местной вытяжной вентиляцией в соответствии со СНиП 2.04.05-91. В качестве таковой предусмотрены боковые наклонные отсосы местного типа, способные отклонять поднимающуюся струю таким образом, чтобы выделения вредных веществ не попадали, а зону дыхания персонала.

При работе с оловянно-свинцовыми припоями необходимо строго соблюдать правила производственной и личной гигиены. Категорически запрещается принимать пищу и курить в помещении, где производится пайка.

Мероприятия по улучшению эргономики рабочего места.

Оборудование и инструмент при выполнении монтажных работ должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.003-91. Для обеспечения  необходимых условий труда с учетом эргономических требований проектом предусмотрено рабочее место радиомонтажника согласно ГОСТ 12.2.032-78 рабочий стол размером 1300х700 мм высотой 750 мм, стул высотой 350 мм, шкаф для хранения техдокументации размером 960х900 мм. Рабочее место спроектировано с учетом антропометрических характеристик мужчин и женщин и обеспечения для них кратчайшего пути при перемещениях в пределах рабочей зоны.

Согласно проекту наиболее часто используемые инструменты и приспособления, обрабатываемые детали размещаются в пределах оптимальной досягаемости (первая зона моторного поля), сравнительно часто используемые инструменты, комплектующие изделия – в зоне легкой досягаемости, а редко используемые инструменты и документация – в зоне досягаемости. При необходимости регулирования температуры нагрева электропаяльника рабочее место оснащается автотрансформатором или автоматическим устройством для регулирования температуры жала электропаяльника. Перед началом работы необходимо проверить комплектность инструмента и его исправность.

Проектом также предусмотрена защита от статического электричества. При статической электризации напряжение относительно земли достигает десятков, а иногда и сотен тысяч вольт. Значение токов при этих явлениях составляют, как правило, доли миллиампера (0,0001-1мА). Для снятия зарядов статического электричества с учетом ГОСТ 12.1.045-84 применено  антистатическое покрытие пола. Монтажники снабжены антистатическими браслетами.

Для обеспечения защиты от шума используется профилактическая смазка шумящих узлов конвейеров, вентиляционных двигателей и различного другого шумящего оборудования в соответствии с графиком планово-предупредительных ремонтов. Для защиты от вибрации используются амортизационные прокладки для шумящих узлов оборудования. Система воздуховодов снабжена шумопоглотителями и виброизолирующими прокладками.

Мероприятия и средства по обеспечению безопасности в чрезвычайных ситуациях.

В целях обеспечения молниезащиты помещений радиомонтажного участка проектом предусмотрена молниезащита II категории согласно РД 34.21.122-87. Молниезащита выполнена путем наложения на кровлю металлической сетки. Сетка изготавливается из проволоки диаметром 6 мм и имеет ячейки размером 60×60 мм.

Для защиты электрооборудования от электрической индукции предусмотрено его присоединение к защитному заземлению. Все металлические элементы, расположенные на крыше, соединены с металлом кровли, а неметаллические элементы, возвышающиеся над кровлей, оборудованы дополнительными молниеприемниками. Токоотводы выполнены из стальной полосы сечением 30 мм2, и расположены по периметру здания, поверхность токоотводов окрашена грунтовкой. Заземлители горизонтальные, выполнены из стальной полосы сечением 160 мм2, расположены по периметру здания на глубине 0,6-0,8 м.

Для обеспечения пожарной безопасности проектом согласно ГОСТ 12.10.04-85 предусмотрено:

- применение средств пожаротушения – двух углекислотных огнетушителей типа ОУ-2 (расположенных возле входной двери участка) и двух пенных огнетушителей типа ОХП-10 на пожарном щите;

- применение электрической пожарной сигнализации, работающей в автоматическом режиме и оборудованной пожарными извещателями типа АТИМ-1, срабатывающими при температуре  +72С;

- профилактический осмотр и ремонт электрооборудования, приборов системы вентиляции, отопления и кондиционирования, осветительных установок;

- инструктаж и обучение персонала.

Согласно СНиП 2.09.02-85 и СНиП 2.01.02-85 для обеспечения быстрой эвакуации людей в случае пожара проектом предусмотрены два эвакуационных выхода с монтажного участка, наименьшая величина проходов – 1 м, коридоров – 1,4 м, дверей – 0,8 м, площадки – 1,05 м.






 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54515. Интегрированный урок музыки и литературы в 5-ом классе 90.5 KB
  Цели урока: обучающие: по музыке: продолжить изучение темы Музыка и искусство слова; показать как музыка являясь главным героем сказки проявляет свою волшебную силу помогает в тяжелую минуту; через рабочую наглядность слайдфильм раскрыть тему урока в увлекательной и доступной форме; направить учащихся на осмысление музыкального образа в литературе в частности в сказках; по литературе: формировать умение творческого пересказа сказывания народных сказок; совершенствовать навыки сопоставления; развивающие: по музыке:...
54516. Історія Першої струни. Струнні інструменти 266.5 KB
  Довгий шлях пройшли струнні від тятиви мисливського лука до сучасних музичних інструментів. І зараз це - найважливіша і найчисельніша інструментальна група. Не випадково емблемою музичного мистецтва з давніх пір вважають ліру - стародавній струнний інструмент.
54517. Де дружба і кмітливість, там і перемога. Німецька народна казка. Бременські музиканти 107.5 KB
  МЕТА: Ознайомити учнів з німецькою народною казкою, вчити визначати послідовність подій у творі. Розвивати навички швидкого правильного читання,увагу, мовлення учнів, читацьку память, поповнювати словниковий запас. Працювати над діалогічним мовленням, вчити інсценізації, перевтіленню, стислому переказу.
54518. Понятие альтернативных издержек 16.78 KB
  Альтернативные издержки различают на единицу продукта и совокупные альтернативные издержки. Альтернативные издержки очень трудно представить, как определенное количество денег
54519. Экономические блага и их классификация 18.69 KB
  Для удовлетворения потребностей людей служит благо. Благо — это средство удовлетворения потребностей человека. Именно ради удовлетворения конкретных потребностей людей в благах и осуществляется хозяйственная деятельность в любой стране.
54520. Расскажи сказку 48 KB
  Кто их сочиняет Какие имена композиторов вы знаете А какие музыкальные сказки вы знаете Вы знаете что Пушкин написал Сказка о царе Султане а Римский Корсаков написал музыкальную сказку о Царе Султане Но сегодня мы будем говорить о С. Беседа Начнём сегодня сказочный урок с того что послушаем сказку Прокофьева. Внимательно слушаем а потом вы расскажете какую же сказку нарисовала музыка А весёлая это сказка или грустная Кто главные герои Няня стала рассказывать с самого начала или позже Так добрая это...
54521. Від симфонії до скульптури 2.43 MB
  Чи можна стверджувати що окремий вид мистецтва живопис музика література скульптура є кращим ніж інші бесіда з використанням ілюстрацій з різних видів мистецтва висновок: Ні не можна тому що: Живопис скульптура достовірно зображує предметні явища Література розкриває зміст певних понять Музика передає душевний стан людини його настрій Всі види мистецтва доповнюють один одного підсилюючи сприйняття...
54523. My favourite film 272 KB
  What do we usually do in our free time? Well, yes, we read books and magazines, listen to music, walk with our friends and watch TV. So, out lesson will be connected with TV programs, especially with films. We’ll speak about types of films, work over some texts, do different tasks, speak about your favourite films and present your project works.