Рис. 3.2 Основные временные параметры КМДП ИС:
а -- асинхронных; б -- синхронизированных
Для ИС с памятью или синхронизируемых ИС число временных параметров увеличивается, поскольку на входе ИС оказываются действующими уже два вида сигналов -- управляющие и информационные, для которых оказывается необходимым выполнение определенных временных соотношений
На рисунке 3.2, б показаны основные временные параметры синхронизируемых ИС. В числе новых введен параметр , представляющий собой время опережения установки данного D относительно фронта синхросигнала C. За время данное D должно быть до появления сигнала C предварительно установлено в памяти ИС, а с появлением сигнала C ИС должна перейти в режим хранения этого данного. Кроме того, в число параметров ИС вводятся минимальная длительность синхроимпульсов C и минимальный интервал следования между ними.
К временным параметрам ИС можно также отнести и минимальную длительность импульсов сброса в нуль (для счетчиков, регистров, триггеров и т. д.), записи начального значения и т. д. Количество временных параметров ИС зависит от ее сложности.
Следует отметить, что быстродействие ИС КМДП растет практически пропорционально увеличению напряжения питания. Например, для серии К561 при =15 В типовое значение времени задержки нc на логический элемент достигнуто именно за счет повышения максимально допустимого напряжения питания. Основным фактором, определяющим допустимое напряжение питания, является напряжение пробоя n-кармана, в котором создаются МДП-транзисторы с каналом p-типа, или p-кармана для МДП-транзисторов с каналом n-типа.
Ток потребления. Для КМДП ИС ток потребления образуется из трех составляющих:
, (3.1)
где -- ток утечки обратно смещенных p -- n-переходов;
-- ток перезаряда нагрузочной емкости ;
-- сквозной ток.
Значение характеризует ток потребления в статическом режиме и для одного инвертора обычно не превышает десятков наноампер.
Токи и характерны только для динамического режима и возникают в процессе переключения КМДП-инвертора из одного состояния в другое. Для тока имеем , откуда видно, что ток перезаряда не зависит от параметров транзистора. Сквозной ток образуется в момент переключения, когда оба транзистора в комплементарной паре оказываются некоторое время одновременно открытыми (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 - Возникновение сквозных токов в КМДП-инверторе
Значение зависит от параметров транзисторов и может быть определено только по выходным экспериментально снятым характеристикам транзисторов.
Таким образом, фактически потребляемый ток КМДП ИС зависит от частоты ее переключения и может изменяться в широких пределах. В таблицах основных параметров приведено значение тока потребления в статическом режиме [2].
3.2 Модуль генератора тестов
Генератор тестовых наборов. Счётчики импульсов выполнены на микросхемах (DD1 DD2) К176ИЕ2. Выводы S1, S2, S3, S4 -- предварительной записи числа. Они не задействованы, поэтому соединены с минусом. Вывод 2/10 микросхемы переключает режимы работы счётчика, двоичный или двоично-десятичный. При высоком уровне режим счёта двоичный, при низком потенциале десятичный. Выбираем двоичный режим счета, поэтому вывод 2/10 замыкаем на плюс. Выводы 1, 2, 4, 8, 16 -- информационные. Вывод 10 для десятичного счёта, здесь не используется. Вывод +1 для поступления импульсов положительной полярности. Вывод V служит для разрешения счёта (при высоком уровне разрешено).
Для импульсов обнуления используем микросхемы К176ЛП4 (DD4, DD5), К176ЛП12 (DD7). В первых микросхемах используются два элемента 3ИЛИ-НЕ. Эти элементы подсоединены к выходам счётчиков. Во второй микросхеме используется элементы 4И-НЕ и инвертор. Таким образом, на базе этих трёх микросхем реализуется элемент 10ИЛИ, и когда счётчики обнулятся, то есть всех выводах будут нули, тогда на выходе элемента будет единица.
В качестве буфера используется микросхемы К561ЛН1 (DD8, DD9) с возможностью блокировки выходного сигнала по выводу E. При высоком уровне на этом выводе выходные ключи переводятся в состояние разомкнуто, их сопротивление порядка 10 МОм. Вывод C разрешающий (низкий уровень) сигнал по входу. На микросхеме К561ТМ2 (DD3) сделан RS-триггер.
Схема управления. При подаче питания схема всего тестера должна придти в исходное состояние. Для этого используется конденсатор C2 подключённый между шинами сброса и питания. В момент включения устройства происходит заряд конденсатора и тем самым поступает импульс сброса в цепь сброса. Когда конденсатор зарядится, он уже не будет оказывать влияние на работу схемы. Когда питание будет выключено, то конденсатор разрядится через цепь питания и диод VD3. Индикаторы на выходе схемы должен либо светиться, либо не светиться. Но из-за того, что из всех 1024 импульсов на вход индикаторов импульсы поступают не постоянно, то индикатор будет мигать, а не гореть постоянно. Из-за инерционности человеческого глаза пропадание свечения индикатора не будет заметно. Поэтому нужно применить линию задержки, которая будет оставлять включённым светодиод некоторое время (если количество импульсов совпало), а потом сбрасывать счётчик и повторять цикл заново. Линия задержки выполнена на двух диодах, двух резисторах и одном конденсаторе. Линия задержки одна общая на всю схему, и срабатывает тогда, когда прошло все 1024 импульса. Конденсатор C1 заряжается через резистор R1 и диод VD1. Время зарядки и есть время задержки. После заряда C1 на входе R триггера DD4 появится высокий уровень напряжения, который вызовет появление сигнала сброса. После чего вся схема обнуляется. Конденсатор линии задержки придёт в исходное состояние, разрядившись через резистор R2 и диод VD2. Он должен успеть разрядиться до низкого напряжения за время между импульсами обнуления. Схема пришла в начальное положение и готова заново повторить свой цикл работы.
Примем время задержки равное 1-ой секунде. Зная, что напряжение включения равно половине напряжения питания составим формулу заряда-разряда конденсатора
(3.2)
где - постоянная времени;
t = 1 c - время задержки.
Решая это уравнение находим
Примем C = 68 нФ, тогда
Сопротивление ограничительного резистора R3 примем 1 кОм. Сопротивление диода в открытом состоянии приблизительно равно 500 Ом. Время разряда конденсатора равно
(3.3)
Генератор тактовых импульсов. Генератор выполнен по схеме мультивибратора на логических элементах 2И-НЕ. Вариант простейшего генератора (мультивибратора) показан на рисунке 2.4. Схема имеет два динамических состояния. В первом из них, когда на выходе D3.1 состояние лог. "1" (выход D3.2 лог. "0"), конденсатор С3 заряжается. В процессе заряда напряжение на входе инвертора D3.1 возрастает, и при достижении значения Uпор=0,5Uпит происходит скачкообразный переход во второе динамическое состояние, в котором на выходах D3.1 лог. "0", D3.2 - "1". В этом состоянии происходит перезаряд емкости (разряд) током обратного направления. При достижении напряжения на С3 Uпор происходит возврат схемы в первое динамическое состояние [2].
Рассчитаем максимальную тактовую частоту тестера. Для этого выберем цепь, по которой сигнал будет распространяться дольше всего. Эта цепь формирования сигнала задержки. Она состоит из микросхем К176ИЕ2, К176ЛП4, К176ЛП12, К561ТМ2. Максимальная рабочая частота счётчика 2 МГц. Значит время распространения не более tрас = 1 / 2МГц = 500 нс. Для остальных микросхем время фронта и среза импульса равны по 200 нс. Через микросхему К176ЛП12 (DD7) сигнал проходит два раза. Учитывая, что все микросхемы включаются по фронту импульса и включены последовательно, то время распространения будет равно сумме задержек в каждой из них.
Tрасп = tИЕ2 + tЛП4 + tЛП12 + tЛП12 + tТМ12 = 500 + 200 + 200 + 200 + 200 = 1,3 мкс. (3.4)
Предполагая, что время распространения через объект контроля будет таким же, поэтому чтобы узнать временную задержку через весь тестер умножим это значение на два
Tзадер = 1,3 · 2 = 2,6 мкс. (3.5)
Длительность отрицательного и положительного импульса примем равными. Тогда рабочая частота должна быть не более
. (3.6)
Рассчитаем тактовый генератор. Его период будет равен
. (3.7)
Зададимся значение конденсатора, пусть C = 10 нФ, тогда
Сопротивление резистора выберем в сто раз больше чем , чтобы он не оказывал влияния на работу генератора
. (3.8)
Посчитаем период всех 1024 импульсов
. (3.9)
Это значение намного больше, чем время разряда конденсатора C1 в модуле генератора тестов. Значит, конденсатор успеет разрядиться, и схема будет работать правильно.
3.3 Модуль проверки
Компаратор выходных реакций. Микросхемы К561ЛП2 (DD13, DD14) содержит четыре элемента "исключающее ИЛИ". Четыре триггера расположены в микросхемах К561ТР2 (DD15, DD16). Светодиоды подключены через микросхемы 564ЛА10 (DD21, DD22, DD23), к ним же подключён сигнал «Задержка». Выходные сигналы с контрольного и эталонного объекта поразрядно поступают на элементы «исключающее или» (DD22, DD23). К их выходам подключен вход R RS-триггеров (DD15, DD16). Во время сброса триггеры устанавливаются в исходное состояние по входу S, и на выходе Q высокий уровень. Если хотя бы один импульс не совпадёт на входах «исключающих или», то триггер переключится по входу R. И тогда во время задержки соответствующий конъюнктор (DD21-DD23) не будет открыт, и светодиод не будет светиться.
Верификатор. В схеме используется 6 верификаторов. Тактовые импульсы вместе с импульсами от эталона и разрешающим сигналом от триггера поступают на входной конъюнктор (DD1, DD17). После него через инвертор импульсы поступают на счётчик, либо сразу на триггер. В качестве счётчиков использованы микросхемы К176ИЕ1 (DD3-4, DD18-20). Этот счётчик обнуляется при 64 импульсов. Этого достаточно для всех выводов. Тактовые импульсы поступают на вход C, а сбрасывается счётчик по выводу R.
Конъюнкторы выполнены на микросхеме К176ЛП12 (DD4) или К176ЛИ1 (DD6). Первая содержит два элемента 4И-НЕ и один инвертор. Вторая 9И и один инвертор. В зависимости от номера выхода эталонного объекта схема подключения между счётчиком и конъюнктором разная. Конъюнктор выполнен на разных микросхемах, поэтому если выход прямой, то дополнительный инвертор не нужен. Два D-триггера реализованы на микросхеме К176ТМ1 (DD7-DD9, DD24-DD25). Питание светодиодов выполнено на микросхеме 564ЛА10 (DD11, DD12, DD28). Применение последней микросхемы позволяет непосредственно подключить к ней светодиод. Поэтому трёхвходной конъюнктор выполнен в виде двух двухвходных.
При заданном количестве импульсов на определённых выходах счётчика появятся логические единицы. Эти выводы подключены к конъюнктору. Это значит, что на выходе конъюнктора появится высокое напряжение тогда, когда в счётчик будет записано определённое число. После чего сигнал поступает на вход D-триггера, приводя его во включённое состояние. Причём на инверсном выходе Q появляется ноль, что снимает сигнал сброса R со второго триггера. Включение первого триггера говорит о том, что нужное количество импульсов уже поступило. Второй триггер служит для проверки наличия лишних импульсов. Вход триггера C подключён к самому младшему выходу счётчика. Если поступит хотя бы один лишний импульс, то второй триггер включится и своим прямым выходом Q заблокирует счётчик от дальнейшего счёта. Схема сможет обнулиться только принудительно. Если количество импульсов правильное, то на выходах прямой Q1 и Q2 инверсный будет высокий потенциал. И вместе с сигналом полного цикла они поступают на трёхвходной конъюнктор (DD1 или DD17). С его выхода включена схема индикации и линия задержки. Такая схема импульсов используется на каждый выход эталонного объекта.