- Stahuj zápisky z přednášek a ostatní studijní materiály
- Zapisuj si jen kvalitní vyučující (obsáhlá databáze referencí)
- Nastav si své předměty a buď stále v obraze
- Zapoj se svojí aktivitou do soutěže o ceny
- Založ si svůj profil, aby tě tví spolužáci mohli najít
- Najdi své přátele podle místa kde bydlíš nebo školy kterou studuješ
- Diskutuj ve skupinách o tématech, které tě zajímají
Studijní materiály
Hromadně přidat materiály
Diagnostika a testování el. systému - lab.cvičení
BDTS - Diagnostika a testování elektronických systémů
Hodnocení materiálu:
Zjednodušená ukázka:
Stáhnout celý tento materiálFAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
Diagnostika a testování elektronických
systémů – laboratorní cvičení
Garant předmětu:
Ing. Milan Recman, CSc.
.
Autoři textu:
Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc.
Ing. Milan Recman, CSc.
Ing. Roman Prokop
Název učebního textu 1
Obsah
1 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU........................................4
1.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU...................................................................................................5
1.2 VSTUPNÍ TEST..............................................................................................................5
2 TESTOVÁNÍ A DIAGNOSTIKA CMOS ANALOGOVÝCH OBVODŮ..................8
3 MODELY TRANZISTORU MOS..................................................................................9
3.1 NOMINÁLNÍ MODEL TRANZISTORU MOS...................................................................10
3.2 STATISTICKÝ MODEL TRANZISTORU MOS.................................................................11
4 PORUCHOVÉ MODELY TRANZISTORU MOS.....................................................14
5 TESTOVÁNÍ ANALOGOVÝCH OBVODŮ CMOS MONITOROVÁNÍM ZMĚN
V NAPÁJECÍM PROUDU....................................................................................................18
5.1 SIMULACE BEZCHYBNÉHO OBVODU...........................................................................19
5.1.1 Nominální anlýza..............................................................................................19
5.1.2 Nekorelovaná statistická analýza.....................................................................21
5.1.3 Korelovaná statistická analýza.........................................................................22
5.1.4 Srovnání jednotlivých simulací bezchybného modelu......................................23
5.2 SIMULACE ZKRATŮ MEZI ELEKTRODAMI JEDNOTLIVÝCH TRANZISTORŮ....................24
5.3 SIMULACE PŘERUŠENÍ V ELEKTRODÁCH JEDNOTLIVÝCH TRANZISTORŮ ....................28
6 DODATKY......................................................................................................................33
6.1 VÝSLEDKY TESTŮ......................................................................................................33
2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Seznam obrázků
OBRÁZEK 3.1: CMOS OPERAČNÍ ZESILOVAČ – ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ.................................9
OBRÁZEK 5.1: DEFINICE EMITOROVÝCH UZLŮ BEZCHYBNÉHO TRANZISTORU......................15
OBRÁZEK 5.2: ÚPLNÁ DEFINICE UZLŮ PRO SYNTÉZU CHYBOVÉHO MODELU...........................16
OBRÁZEK 6.1: ZAPOJENÍ TESTOVANÉHO OBVODU................................................................19
OBRÁZEK 6.2: UZLOVÁ NAPĚTÍ BEZCHYBNÉHO OBVODU.....................................................21
OBRÁZEK 6.3: I
DDQ
PRO BEZCHYBNÝ OBVOD.......................................................................21
OBRÁZEK 6.4: ROZPTYL I
DDQ
PRO NEKORELOVANÝ MODEL.................................................22
OBRÁZEK 6.5: ROZPTYL I
DDQ
PRO KORELOVANÝ MODEL.....................................................23
OBRÁZEK 6.6: POROVNÁNÍ ROZPTYLU I
DDQ
PRO KORELOVANÝ A NEKORELOVANÝ MODEL.23
OBRÁZEK 6.7: ZKRATY KANÁLŮ TRANZISTORŮ M1 A M7...................................................24
OBRÁZEK 6.8: DETEKOVATELNOST ZKRATŮ KANÁLŮ TRANZISTORŮ M1 A M7...................25
OBRÁZEK 6.9: DETEKOVATELNOST ZKRATŮ KOLEKTOR – HRADLO TRANZISTORŮ M1, M2
A M6 26
OBRÁZEK 6.10: DETEKOVATELNOST ZKRATU KANÁLU TRANZISTORU M1.........................28
OBRÁZEK 6.11: CHYBOVÝ MODEL OBVODU PRO PŘERUŠENÍ V EMITORU TRANZISTORU M5
29
OBRÁZEK 6.12: DETEKOVATELNOST PŘERUŠENÍ V EMITORU TRANZISTORU M5...............30
OBRÁZEK 6.13: PŘERUŠENÍ V EMITORU TRANZISTORU M3................................................32
OBRÁZEK 6.14: DETEKOVATELNOST PŘERUŠENÍ V EMITORU TRANZISTORU M3................32
Název učebního textu 3
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Úvod
Komplexnost a složitost elektronických systémů je limitována především schopností
otestovat jejich funkčnost a proto cenové náklady na testování během vývoje a výroby tvoří
podstatnou část ceny konečného elektronického produktu. Hlavním požadavkem je zajištění
testovatelného návrhu a proto význam testování a diagnostiky elektronických systémů roste
se zvyšující se komplexností a složitostí těchto systémů. V období vývoje a aplikace prvních
integrovaných elektronických obvodů se specializace testovacího a diagnostického technika či
inženýra neuplatnila a problém testování a diagnostiky se koncentroval do zjištění funkčnosti
či nefunkčnosti vyvinutého a realizovaného produktu. V současné době je situace naprosto
odlišná a diagnostikovatelnost a testovatelnost je rozhodujícím aspektem vývoje komplexního
elektronického systému a oblast testování a diagnostiky je nedílnou a integrální součástí
vývoje každého složitého elektronického systému. Odtud plyne zapojení testovacích
specialistů už do nejranějších fází návrhu jako jsou systémový a procesní či technologický
návrh. Tyto nové skutečnosti určují požadavky na výše uvedené specializace techniků a
inženýrů v oblasti testování a diagnostiky a následné zajištění příslušných kursů na
technických vysokých školách. Tyto kursy pokrývající oblast testování a diagnostiky jsou
nezbytné především pro studijní obory, které souvisí s návrhem monolitických integrovaných
obvodů a s návrhem elektronických systémů aplikujících tyto obvody a obecně pak pro
všechny návrháře složitých a komplexních elektronických systémů.
1 Zařazení předmětu ve studijním programu
Předmět „Diagnostika a testování elektronických systémů“ (DTS) je součástí studijního
plánu oboru „Mikroelektronika a technologie“ (MET) a tento studijní obor je potom součástí
tříletého bakalářského studijního programu „Elektrotechnika, elektronika, komunikační a
řídicí technika“ (EEKR). Ve studijním plánu oboru MET je předmět zařazen do 1. skupiny
volitelných oborových předmětů pro letní semestr 2. ročníku ( kredity – 5, hodiny za semestr:
přednášky – 26, cvičení – 26 ). V rámci jednotlivých odborných zaměření patří zejména do
specializace „Návrh mikroelektronických systémů“ a „Aplikace mikroelektronických
systémů“. Tato odborná zaměření lze dále rozvíjet v navazujícím magisterském studijním
programu a to zejména ve studijním oboru „Mikroelektronika“ (MEL) s užším zaměřením na
- návrh a počítačovou simulaci integrovaných obvodů,
- návrh elektronických systémů a aplikaci mikroelektronických obvodů a
- testovací a měřicí techniku.
Přímá návaznost existuje na předměty magisterského studijního oboru MEL jako jsou
„Digitální integrované obvody – DIS“, „Metody návrhu digitálních integrovaných obvodů –
NDO“, „Metody návrhu analogových integrovaných obvodů – NAI“, „Konstrukce a
technologie elektronických zařízení – KTE“ a další. V doktorském studijním programu tvoří
návaznost zejména předměty studijního oboru „Mikroelektronika a technologie“.
Pro zahájení studia předmětu se předpokládá pochopení elektrické funkce
polovodičových součástek jako jsou dioda, bipolární tranzistor, MOS tranzistor a elektrické
funkce základních logických a analogových obvodů. Současně se předpokládá základní
informovanost o procesu počítačového návrhu elektronických systémů a o metodách měření
elektrických charakteristik prvků a obvodů. Tyto předpoklady splňuje skladba povinných
předmětů bakalářského studia spolu s volitelnými předměty zaměřenými na oblast
mikroelektroniky v období prvních tří semestrů studia.
Název učebního textu 5
1.1 Úvod do předmětu
Cílem předmětu je vytvořit základní představy o významu testování a diagnostiky a
jejím začlenění v procesu vývoje a produkce elektronických systémů. Seznámit studenty s
fyzikálními principy vzniku poruch, s jednotlivými souvisejícími modely a základními
metodami diagnostiky a testování elektronických prvků a systémů. Jsou zahrnuty základní
metody diagnostiky a testování digitálních, analogových i analogově-digitálních
elektronických systémů, které se v současné době uplatňují při návrhu nejsložitějších
monolitických integrovaných obvodů. Jsou zdůrazněny praktické aspekty průmyslového
testování včetně ekonomiky testování. Jednotlivé kapitoly potom zahrnují hlavní úlohy
mikroelektronického testování a diagnostiky, rostoucí význam testovatelných návrhů, dále
jsou to modely poruch, chybové pokrytí a automatická generace testovacích vektorů pro
logické obvody, metody pro kombinační logické obvody jako jsou příznaková analýza a další,
strukturované metody jako základ metod testování VLSI, jsou zahrnuty speciální digitální
struktury jako mikroprocesory, ROM, RAM, PLA a další. Následné kapitoly zahrnují metody
testování a diagnostiky analogových a analogově-digitálních obvodů, které jsou
předpokladem realizace úplného elektronického systému ( smíšeného) na polovodičovém
čipu.
Student získá potřebné základy a další související informace pro pochopení významu
testování a diagnostiky v procesu návrhu elektronických prvků, obvodů a systémů a to včetně
testování a diagnostiky monolitických integrovaných obvodů. Student si osvojí potřebné
dovednosti spojené s aplikací testovacích a diagnostických metod na konkrétní problémy
studovaného oboru, ověří si schopnost samostatné analýzy a řešení problémů z oblasti
testování a diagnostiky komplexních elektronických systémů.
1.2 Vstupní test
Pro všechny otázky a problémy testu se předpokládá pokojová teplota a následující orientace
základních elektrických proměnných (proudů a napětí):
Dioda - orientace proudu a napětí od anody ke katodě.
Bipolární tranzistor – proudy do kolektoru, do báze a z emitoru.
Unipolární tranzistor - proudy do kolektoru (do kanálu), do hradla a z emitoru (z kanálu).
1. Jaký je matematický vztah pro závislost proudu I na napčtí U ideální polovodičové diody
jestliže napětí i proud orientujeme ve směru od anody ke katodě?
2. Jaký je matematický vztah pro závislost proudu I na napčtí U ideální polovodičové diody
jestliže napětí i proud orientujeme ve směru od katody k anodě?
6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
3. Uveďte hodnotu teplotního napětí při pokojové teplotě a teplotní závislost tohoto
parametru.
4. Jaká je teplotní závislost saturačního proudu ideální diody ?
5. Jaký přírůstek napětí v propustném směru stačí na desetinásobné zvýšení proudu ideální
diodou ?
6. Jestliže první ideální dioda bude mít tisíckkát větší saturační proud než druhá, o kolik se
bude lišit jejich napětí při propustném proudu 1 mA, .1 m A, 10 mA?
7. Pro dvě identické ideální diody se saturačním proudem I
S
, zapojené proti sobě a připojené
na napětí U ≠ 0, určete přesný analytický vztah pro proud a napětí diody zapojené v
propustném směru.
8. Jestliže při propropustném proudu 0.1 mA bude na křemíkové diodě o 0.36 V vyšší napětí
než na germaniové diodě, která z diod má větší saturační proud a přibližně kolikrát?
9. Existuje vztah mezi napětím na diodě při konstantním proudu, saturačním proudem, vlastní
koncentrací polovodiče a šířkou zakázaného pásu? Pokud ano, jaký?
10. Vjakých režimech může pracovat bipolární tranzisot ( BT )? Jak jsou pólovány jednotlivé
přechody tranzistoru v těchto režimech?
11. Který režim BT je podstatný pro zesílení malého signálu?
12. Který režim BT je podstatný pro spínač?
13. Křemíkový bipolární tranzistor NPN je v zapojení SE s dostatečně kladným
kolektorovým napětím ( kolektorový přechod vždy uzavřen), proudy orientujeme do báze,
do kolektoru a z emitoru a sledujeme závislost jednotlivých proudů na napětí báze – emitor (
tzv. emitorové charakteristiky )
a) ve kterých režimech se tranzistor může nacházet?
b) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= 0.6 V?
c) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= 0 V?
d) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= -2 V?
e) hodnota kterého proudu změní znaménko při kladném U
BE
?
f) hodnota kterého proudu změní znaménko při záporném U
BE
?
g) hodnota kterého proudu nikdy nezmění znaménko?
h) absolutní hodnota kterého proudu bude největší pro U
BE
= -2 V?
Název učebního textu 7
14. Které kolektorové zbytkové proudy bipolárního tranzistoru znáte?
15. Který z těchto kolektorových zbytkových proudů je největší a jak jsou tyto proudy
seřazeny podle velikosti?
16. V jakém zapojení (SE, SB, SC) má bipolární tranzistor obvykle největší výkonové
zesílení?
17. Určete AV charakteristiku dvojpólu, který vznikne zkratováním svorek báze a kolektoru
BT NPN s parametry I
ES
, I
CS
, α
N
, α
I
.
18. Určete AV charakteristiku dvojpólu B-E, který vznikne odpojením svorky kolektoru BT
NPN s parametry I
ES
, I
CS
, α
N
, α
I
.
19. Jak je definován parametr h
21e
v msg. modelu BT ?
20. Čím je způsoben sklon výstupních charakteristik bipolárního tranzistoru v normálním
aktivním režimu?
21. Při kterém zapojení je sklon největší a proč?
22. Prahové napětí NMOS tranzistoru s indukovaným kanálem je větší nebo menší než nula?
23. Může tranzistor NMOS s trvalým kanálem pracovat v režimu ochuzení?
24. Může tranzistor NMOS s indukovaným kanálem pracovat v obohacovacím režimu?
25. Jak je definován saturační režim pro NMOS tranzinzistor?
26. Který režim je podstatný pro aplikaci IGFET jako řízeného odporu?
27. Který režim je podstatný pro aplikaci IGFET jako zesilovače malého signálu?
28. Jaký je matematický vztah pro závislost výstupního proudu I
C
na vstupním napětí U
GE
tranzistoru NMOS pro saturační režim?
29. Tranzistor NMOS s indukovaným kanálem (U
pE
, K
E
) má zkratováno hradlo s kolektorem.
Určete AV charakteristiku nelineárního odporu I
CE
= I
CE
(U
CE
) pro U
CE
≥ 0.
8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
30. Tranzistor NMOS s trvalým kanálem (U
pD
, I
CSAT0
) má zkratováno hradlo s emitorem.
Určete AV charakteristiku nelineárního odpor I
CE
= I
CE
(U
CE
) pro U
CE
≥ 0.
2 Testování a diagnostika CMOS analogových obvodů
Cíle kapitoly: Popsat metodiku simulace poruch v CMOS analogových obvodech.
Algoritmy testování a diagnostiky CMOS analogových obvodů s výhodou využívají
počítačové simulace ke zjištění zda uvažovaná porucha je detekovatelná daným testem.
Prvním krokem je studium poruch v obvodech CMOS. Poruchy jsou studovány na
obvodové (elektrické) úrovni a v závislosti na fyzikálních příčinách. Je vymezen okruh
poruch, které je třeba modelovat a je syntetizován poruchový model. Z fatálních poruch je
třeba modelovat zkrat mezi vodiči, zkrat mezi vodiči a vodivými oblastmi a rozpojené vodiče.
Typický poruchový model tranzistoru MOS modeluje např. 5 základních poruch ( zkraty mezi
jednotlivými základními elektrodami tj. kolektorem, hradlem a emitorem a rozpojení v oblasti
kolektoru a emitoru ). Z dílčích poruch jsou dostupné modely pro lokální zkraty hradlového
oxidu (gate-oxide shorts).
Vedle modelu poruch vstupují do počítačových simulací zejména informace o
bezchybném obvodu, rozptylu a korelacích parametrů modelů příslušných součástek a vstupní
elektrické signály.
Testovací proces sestává ze dvou částí a to ze simulace bezchybného (faulty-free)
obvodu a simulace obvodu s poruchami. Výsledky obou simulací jsou potom srovnány pro
získání údajů o potenciální detekovatelnosti jednotlivých poruch. Protože sledované
elektrické odezvy se mění jednak v závislosti na obvodových chybách, ale také v závislosti na
toleranci součástek bezchybného obvodu, je tento fakt potřeba respektovat při srovnávání
odezev chybného a bezchybného obvodu. Ve výpočtu mohou být tyto rozptyly parametrů
zohledněny nejlépe tzv. analýzou Monte Carlo, která zde simuluje hromadnou výrobu. Na
základě této simulace můžeme stanovit tzv. oblast odchýlek, která vymezuje rozptyly
obvodových odezev komparovaných obvodů. V závislosti na požadované přesnosti simulace
je možno považovat v jednodušším případě parametry za nezávislé a uplatnit nekorelovanou
statistickou analýzu, pro vyšší přesnost je potřeba zohlednit závislosti mezi parametry a
provést korelovanou statistickou analýzu. To znamená, že vedle nominálního modelu je
potřeba syntetizovat příslušné statistické modely pro aplikované součástky.
Simulace obvodu s poruchami probíhá tak, že současně je uvažována přítomnost
pouze jediné poruchy v obvodu. Simulace musí být tedy opakována tolikrát, kolik poruch
chceme zařadit. V dalším budeme uvažovat pouze poruchy tranzistorů MOS a to pouze fatální
chyby ( globální a lokální přerušení a zkraty). V jednom kroku výpočtu je tedy vždy
aktivována jediná porucha v příslušném poruchovém modelu MOS tranzistoru.
Výsledky obou simulací budou porovnány, tzn. že budou porovnány
specifikované odezvy (napájecí proud, výstupní napětí, resp. další napětí a proudy
v testovaném obvodu) chybného a bezchybného obvodu s respektováním oblasti odchýlek na
Název učebního textu 9
totožné vstupní signály. S respektováním definovaných pravidel je pak rozhodnuto o
detekovatelnosti poruchy. Vychází se z předpokladu, že pokud odezva nominálního
chybového modelu obvodu leží mimo oblast odchýlek bezchybného obvodu, je porucha
detekovatelná. Samotná detekovatelnost poruchy je zřejmě ůměrná počtu sledovaných odezev
a souvisí s dimenzialitou prostoru, ve kterém je třeba srovnání provádět.
Výše zmíněný postup lokalizace chyb v CMOS analogových obvodech bude
demonstrován s využitím CMOS operačního zesilovače, jehož schéma zapojení je na
obrázku (Obrázek 2.1)
Obrázek 2.1: CMOS operační zesilovač – základní zapojení
a elektrického simulátoru HSPICE zahrnujícího grafický postprocesor Avanwaves pro
vizuální porovnání odezev chybného a bezchybného obvodu.
Shrnutí: Testovací proces sestává ze dvou částí a to ze simulace bezchybného obvodu a
simulace obvodu s poruchami. Simulace obvodu s poruchami probíhá tak, že současně je
uvažována přítomnost pouze jediné poruchy v obvodu. Výsledky obou simulací jsou
porovnány.
3 Modely tranzistoru MOS
Cíle kapitoly: Popsat syntézu modelu tranzistoru MOS pro simulaci poruch v CMOS
analogových obvodech.
10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Testovaný obvod CMOS operační zesilovač (Obrázek 2.1) obsahuje tranzistory MOS
a to 4 tranzistory NMOS (M1, M2, M5, M7) a 3 tranzistory PMOS (M3, M4, M6). Pro
chybové simulace, jak bylo specifikováno výše, musíme tyto tranzistory v prostředí
simulátoru HSPICE nahradit příslušnými bezchybnými modely ( nominální, statistický
nekorelovaný, statistický korelovaný ), v dalším jen modely a příslušnými poruchovými
modely ( nominální, statistický nekorelovaný, statistický korelovaný ). Bude tedy nutno
specifikovat parametry jednotlivých modelů včetně jejich možných závislostí.
3.1 Nominální model tranzistoru MOS
Volba nominálního modelu musí zohlednit především použitou technologii a možnost
využití modelu pro statistickou charakterizaci tranzistoru. Tyto skutečnosti splňuje fyzikálně
orientovaný model tranzistoru MOS s indukovaným kanálem (HSPICE , Level=2), který je
podporován CMOS tecnologií AMS12(1.2u), ve které je realizován testovaný obvod. Tento
standardní MOS2 model má přímou korespondenci mezi jeho parametry a technologickými
parametry modelovaného prvku na rozdíl od dalších využívaných standardních modelů
MOS3
Vloženo: 28.05.2009
Velikost: 785,44 kB
Komentáře
Tento materiál neobsahuje žádné komentáře.
Mohlo by tě zajímat:
Skupina předmětu BDTS - Diagnostika a testování elektronických systémů
Reference vyučujících předmětu BDTS - Diagnostika a testování elektronických systémů
Podobné materiály
- BDIZ - Diagnostika a zkušebnictví - Diagnostika a zkušebnictví - zkouška x
- BDIZ - Diagnostika a zkušebnictví - Skripta Diagnostika a testování el.systémů
- BDIZ - Diagnostika a zkušebnictví - Skripta Diagnostika a zkušebnictví
- BDIZ - Diagnostika a zkušebnictví - Skripta Speciální diagnostika
- BDTS - Diagnostika a testování elektronických systémů - Diagnostika a testování el. systému - poč.cvičení
- BDTS - Diagnostika a testování elektronických systémů - Diagnostika a testování el. systému
- BAEY - Analogové elektronické obvody - Skripta Analaogové el.obvody-lab.cvičení
- BMFV - Měření fyzikálních veličin - Skripta Měření fyz.veličin - návody do lab.cvičení
- BMTD - Materiály a technická dokumentace - Pokyny pro lab.cvičení
- BMVE - Měření v elektrotechnice - Měření v elektrotechnice - Lab.cviceni -skripta
- BMVE - Měření v elektrotechnice - Skripta Měření v elektrotechnice - lab.cvičení II
Copyright 2024 unium.cz