Предыдущий метод рассмотрен здесь.
Прежде чем рассмотреть метод, предлагаемый авторами статьи, оценим индуктивность проводов, используемых при измерениях на стенде. Расчет индуктивности прямолинейного провода длиной ℓ и радиусом поперечного сечения r можно провести по упрощённой [1] формуле (1) (здесь μ0 — магнитная постоянная, μ0 = 4π*10-7 Гн/м):
Если в формуле (1) положить ℓ = 1 м, r = 0,12 мм, то получим LП = 1,8 мкГн. Поскольку эта индуктивность весьма велика, то её нельзя не учитывать.
Схемы для определения емкостей с индуктивностью проводов LП в режиме логической единицы и логического нуля изображены на рис. 1 и рис.2 соответственно.
При рассмотрении данного метода будет использоваться две емкости выхода: одна — на шину питания, а вторая — на шину заземления. В зависимости от того, установлен ли на выходе уровень логической единицы или нуля, на быстродействие буфера и переходные процессы оказывает емкость С1 или C2 соответственно. Покажем это.
Пусть высокий уровень сигнала на выходе соответствует логической единице, а низкий — логическому нулю. Тогда в случае логической единицы на выходе сопротивление R1 будет малым в сравнении с R2. Это означает, что сопротивление R1 шунтирует емкость С2, и она фактически не оказывает влияния на ход переходного процесса, поскольку замкнута на малое сопротивление. Такое приближение не вносит большой погрешности. Сопротивление RЭКВравно сумме сопротивлений генераторов постоянного напряжения смещения UCM, прямоугольных импульсов UГН и некоторого эталонного сопротивления RЭТ.
Для схемы на рис. 1 в таком приближении
Определим ориентировочный порядок номиналов сопротивлений, включённых в цепь. Обозначим
Для нашей цепи на рис.5 характерно две постоянных времени:
Известно, что С1 ~ 10-12 Ф. Чтобы переходной процесс в цепи определялся только наличием ёмкости, необходимо выполнения условия
Это условие будет выполняться, если порядок сопротивления R ~ 10 кОм. Заметим, что сопротивление R2 много больше, чем R. Поэтому и RДОБ, и RЭКВдолжны быть порядка 10 кОм. Но лучше выбрать эти сопротивления номиналами около 500 кОм (в целях увеличения постоянной времени цепи).
Таким образом, сопротивления RДОБ и RЭКВ включены в цепь для увеличения постоянной времени цепи и предотвращении шунтирования емкости C1 малыми сопротивлениями генераторов. Это позволит повысить точность измерений и «выявить» переходной процесс.
Само измерение производят следующим образом. Буфер переводят в состояние логической единицы на выходе и обеспечивают равенство напряжения UПИТноминальному напряжению питания ЦИС. Затем при помощи источника UСМустанавливают требуемое смещение на выходе. Далее с генератора UГНподают последовательность прямоугольных импульсов и по экрану осциллографа наблюдают сигнал генератора и сигнал на выходе буфера. При этом амплитуда подаваемого сигнала должна быть как можно меньше, чтобы не вносить существенной погрешности в постоянное смещение на выходе, а длительность импульса — достаточной для завершения переходного процесса. по осциллограмме сигнала на выходе буфера определяют постоянную времени цепи. При измерении необходимо точно знать величину RЭКВ1. Здесь и далее цифровой индекс при RЭКВозначает номер измерения. Всего для определения значения емкости в режиме логической единицы потребуется два таких измерения.
Для проведения второго измерения необходимо изменить RЭКВ путём замены эталонного сопротивления в выходной цепи буфера. Измерения проводят аналогично. Тогда, не приводя промежуточные выкладки, искомую емкость С1 можно рассчитать по формуле (5):
Здесь τц1 и τц2 — постоянные времени цепи, измеренные при RЭКВ1 и RЭКВ2. Далее, изменяя напряжение смещения, проводят следующую пару измерений и т.д. В итоге получают вольт-фарадную характеристику для режима логической единицы на выходе буфера.
Теперь рассмотрим определение емкости в режиме логического нуля. В этом случае сопротивление R2 оказывается малым, а R1 — достаточно большим (рис. 2). Тогда емкость С1 оказывается зашунтированной сравнительно малым сопротивлением R2 и не оказывает существенного влияния на переходной процесс. Если генератор прямоугольных импульсов разместить в цепи питания, то тогда постоянная времени цепи будет равна
Сопротивление R2 мало, но не равно нулю. Поскольку именного с него будет сниматься выходное напряжение, то его не желательно ничем шунтировать. Поэтому сопротивление RЭКВ должна быть как можно больше. Для обеспечения постоянной времени требуемого порядка и исключения влияния индуктивности цепи питания (на рис.6 она не показана) необходимо выбрать RДОБпорядка 10 кОм.
Измерение проводится аналогично предыдущему случаю. В цепи питания микросхемы устанавливают напряжение UПИТ, равное номинальному напряжению питания, на выходе — режим логического нуля. В цепь питания подают прямоугольные импульсы по возможности меньшей амплитуды, и длительности, обеспечивающей полное протекание переходного процесса. Наблюдая по осциллографу сигналы в цепи питания и на выходе буфера, определяют постоянную времени переходного процесса. При этом необходимо точно знать величину RДОБ. Затем измеряют ещё одно значение постоянной времени при другом значении RДОБ. При этих измерениях RДОБдолжно быть не ниже указанного порядка.
Далее расчёт постоянной времени выполняется по формуле (7).
В формуле (7) τц1 и τц2 — постоянные времени цепи, измеренные при RДОБ1 и RДОБ2. Далее, изменяя напряжение смещения, проводят следующую пару измерений и т.д. до снятия вольт-фарадной характеристики в заданном интервале напряжений на выходе.
Достоинством данного метода является доступность оборудования, на котором производятся измерения, относительно небольшая его стоимость. Метод обеспечивает щадящий режим снятия характеристик, что особенно важно для микросхем с низким напряжением питания и для дорогостоящих ЦИС. При использовании лабораторного оборудования этот метод приближается по точности к резонансному методу.
Из недостатков следует отметить значительную продолжительность измерений и необходимость использования прецизионных резисторов. Тем не менее, этот метод вполне применим для решения практических задач.
В заключение рассмотрения этого метода отметим, что при построении моделей необходимо учитывать, что вместо одной, обобщенной емкости использовалось две емкости. Это в целом не соответствует IBIS-стандарту, предусматривающему одну емкость, но позволяет несколько увеличить точность моделей и определить путём моделирования влияние индуктивности цепей питания на процессы.
Таким образом, в настоящее время существуют различные методы для определения емкости выходных буферов цифровых микросхем. Они обладают своими достоинствами и недостатками и применяются в зависимости от имеющейся аппаратуры, удобства измерений и количества времени, которое может быть потрачено на измерения. Во всех случаях необходима как документация на используемую измерительную аппаратуру, так и технические условия для исследуемой микросхемы. Это необходимо для учёта индивидуальных особенностей оборудования (внутреннего сопротивления генераторов, емкость входа осциллографа) и для четкого определения возможного интервала изменения напряжения выходного сигнала.
Точность построения моделей, а значит, и результатов моделирования с их применением, напрямую зависит от точности снятия характеристик, в том числе и вольт-фарадных. Поскольку последний метод является одним из наиболее точных, то можно ожидать, что данное его свойство обеспечит ему в дальнейшем широкое применение.
Литература
1. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчёт индуктивностей. Справочная книга «Энергия», Ленинградское отделение, 1970.
Искренне Ваш, Главный научный сотрудник
P.S. Прошу подписываться на мой канал! Считаю, что мой опыт и научные достижения должны стать общедоступными. Только оригинальные статьи, собственные наработки!