КМОП и основной закон

[Hardsamson]

Как всем известно, основная причина почти всех неисправностей в электронной технике  это либо отсутствие контакта там,  где он должен быть, либо присутствие контакта там,  где  он не должен быть. Это знают все, кто сталкивался с разработкой ремонтом или эксплуатацией любой техники, внутри которой перемещаются носители электричества.  Иногда эта причина  при поиске неисправностей  доводит потерпевших,   чуть ли не до сумасшествия. Об одном таком случае, который произошел со мной во время осваивания КМОП технологий,   хотелось бы рассказать.

В начале 80 годов,  будучи студентом четвертого курса, и подрабатывая  на кафедре в родном политехе,  я от руководителя получил несложное задание  – смакетировать  цифровой делитель на 100 и проверить его максимальное быстродействие. Счетчик необходимо было  собрать  на  новейших  в  то время КМОП  микросхемах  К176ИЕ4. Это была полностью отечественная разработка:  двоично-десятичный счетчик с семисегментным  дешифратором и возможностью работать как  с ЖКИ семисегментным индикатором, так и со светодиодной матрицей.  Очень перспективная микросхема на то время, на неё возлагались большие надежды  в любительском частотомеростроении, изготовлении разнообразных  электронных часов и в конструировании любительских дозиметров (после известных событий 1986г).  По совету шефа,  я  бегло ознакомился с переводной книжкой по применению КМОП микросхем  Р. Мелен Г. Гарланд  «Интегральные микросхемы с КМОП структурами» М. Энергия 1979г., и с нетерпением взялся за дело.

В то время по причине отсутствия программ-симуляторов (да и устройств на которых бы эти симуляторы можно было бы запусить) в деле разработки новых устройств, практически все узлы электронной техники желательно было макетировать на специальных макетных платах (макетницах).

Каждое предприятие, где было своё КБ,  делало эти макетные платы на свой вкус и под свои задачи.  В КПИ у нас были макетные платы  в основном для проведения несложных лабораторных работ по аналоговой технике, на подобие показанной выше. На одной такой плате, представляющей собой пластину из текстолита, с установленными  в несколько рядов монтажными лепестками, я и  спаял схему эксперимента. На макетной плате сверху и снизу  луженым проводом диаметром примерно 1,5 мм были проложены две шины – земля и питание. На счетный вход первой микросхемы подавались импульсы о т внешнего генератора, а к  выходу  переноса второго счетчика был подключен осциллограф. Питание подавалось от распространенного в то время сетевого источника  питания  Александрит с компенсационным стабилизатором напряжения на германиевых транзисторах.  Блоки питания были  исключительно надежные. Вот как выглядела схема эксперимента:  

 Я выставил на выходе источника  питания  напряжение +9В, как того требовали ТУ на микросхемы 176 серии,  и подключил приборы.  Все прекрасно работало. Оба счетчика делили на десять.  Максимальная частота счета была равна примерно 1 МГц, как и положено по ТУ.  Я доложил шефу,  что все работает. Тогда он попросил на выход  делителя частоты подключить  транзисторный  ключ на КТ315 со светодиодом в качестве   нагрузки и подать на вход счетчика  сигнал с частотой 50 Гц.  Светодиод должен был моргать с частотой 0,5 Гц.  Я быстренько  рассчитываю номиналы базового R1 и коллекторного R2 резисторов ключа,  допаиваю  к макету собственно ключ со светодиодом АЛ102А(на то время чуть ли не единственный  доступный светодиод красного цвета свечения в полностью металлическом корпусе с маленьким окошечком). Подключаю  ключ к счетчику и включаю питание.  Светодиод не моргает. Проверяю осциллографом наличие входных импульсов  - есть, питание в месте подключения  проводов от источника к шинам макетницы  – есть. Отдельно проверяю ключевой каскад – все работает.  А оба счетчика не работают.  Везде вместо импульсов сидят нулевые потенциалы. Меняю микросхемы – результат тот же.  Отпаиваю базовый резистор R1  ключа от  выхода счетчика  - все работает.  Впаиваю первый комплект микросхем  - та же история.  Многократно повторяю все вышеописанные манипуляции  – результат тот же. Жалуюсь шефу,  мол загадка природы,  не знаю,  что делать ?!  Шеф был занят какими-то важными делами,  и попросту отмахнулся от меня,  дескать в трех соснах заблудился, разбирайся сам. Я в очередной  раз включаю свою установку без нагрузки т.е. без транзисторного ключа, сижу и без тени мысли отрешенно смотрю на осциллограф , где видно,  как мои счетчики прекрасно работают.  Всё, финиш. Надо менять еще не начавшуюся профессию пока еще не поздно. И,  вдруг, мой коллега по лаборатории начинает как-то странно смотреть   то на меня, то на блок питания, то на осциллограф. И затем,  медленно растягивая слова, спрашивает, а собственно говоря, что я делаю?  Как, что  –  тупик,  загадка природы, НЛО – уже со злостью отвечаю я. Тогда он говорит, что  на загадку природы очень похоже, так как впервые видит, как микросхемы работают без питания. И тут я замечаю, что при лихорадочных поисках истины,  впопыхах забыл включить блок питания. А осциллограф и генератор импульсов были включены и подключены к макету.  При этом мои чудесные счетчики прекрасно  и многократно считают до десяти каждый. Тут я уже не на шутку испугался, срочно позвали завлаба,  и мы начали разбираться всем миром. Причину нашли не сразу, а минут через десять-пятнадцать.  Нашел завлаб, так как он был человек,  более бывалый, знающий и опытный,  при этом  забугорную книжку  про этот новомодный КМОП читал более внимательно,  чем я. Оказалось, что в плюсовой шине питания  макетной платы, примерно в точке  А  на схеме, была микротрещина. Причем трещинка совершенно не заметная на глаз. Питание на счетчики не поступало. Но почему же они  тогда работали?! Ответ я нашел все в той же  импортной книжке. Оказывается,  из-за технологических особенностей  структуры во всех КМОП микросхемах первых поколений  были паразитные элементы – диоды и тиристоры, которые получались как побочные эффекты при изготовлении на кристалле комплиментарных полевых транзисторов. В нормальных условиях эксплуатации паразитный диод не мешает,  но когда при отсутствии питания  появлялся сигнал на затворе первого транзистора счетчика,  то диод открывается и происходит накачка блокирующего конденсатора С1 входным сигналом. Прямо детекторный приемник какой-то.  Вот эту ситуацию я изобразил на следующей схеме.          

На блокировочном конденсаторе С1 появляется постоянное напряжение, примерно равное амплитуде входных импульсов,  а запасенной энергии  при емкости 0,1 мкФ оказалось достаточно, чтобы без нагрузки счетчики работали. Щуп осциллографа имел входное сопротивление около 10 МОм, поэтому выходы микросхем не шунтировал.  Как только я подключил нагрузку в виде резистора R1 с  током всего 900мкА  напряжение на С1 падало до нуля. И появлялась необъяснимая ситуация. И это все свалилось на мою неокрепшую молодую психику!

Потом эту макетную плату сотрудникам кафедры показывали как чудо света.  И было чему удивляться. Представьте себе, что вы подключили авометр в режиме прозвонки к оголенному проводнику с одной стороны.  А вторым щупом ведете по проводнику,  и в каком-то месте вдруг контакт теряется,  хотя визуально проводник кажется абсолютно целым.  Много лет спустя я понял, что могло произойти. Когда припаивали луженый проводник  к лепесткам макетной платы,  могло возникнуть механическое напряжение при остывании проводника.  А на самом проводнике могла быть риска от ножа,  когда снимали изоляцию. И вот по этой риске он подло лопнул незаметно для глаза. Ну а,  что произошло дальше нам известно. На советских военных заводах,  на монтажных участках было запрещено зачищать провода колющими и режущими предметами – только обжигалками – видимо уже наступали на эти грабли. Поэтому не зря говорят, что радиотехника – это наука о контактах.  В данном случае, если бы я работал с ТТЛ микросхемами, обрыв был бы найден очень быстро, но КМОП преподнес мне свой первый (но далеко не последний)  урок. Кроме того,  о загадочном поведении КМОП микросхем  еще упоминали   Хоровиц с Хилом в своей знаменитой хрестоматии  «Искусство схемотехники».  А, как известно,   КМОП технология сейчас является основной в современной электронной технике и детские болезни успешно преодолены. Но о «науке о контактах» все - же забывать не стоит.

 

Владимир Семенов        26 февраля 2019г 

 

[serk]

Странного ничего нет и не было.

Попробуйте сделать то же самое на любой современной КМОП микросхеме, ну например чего нибудь типа 74НС, и результат будет в точности такой же самый.

Эти самые диоды там были есть и будут. 

Может быть не везде и не всегда, но как правило Вы на них наткнётесь в любой простой логике и в любом 

микропроцессоре КМОП тоже, а они теперь все такие.

Более того, такие вещи настолько банальны, что о них просто никто не пишет.

Но конечно новичкам будет может быть интересно.

 

С уважением, Сергей-

 

Просто когда слишком мало практики, то и возникают подобные "непонятки" с НЛО.

Кто много паяет, тот мало удивляется.

[Relayer]

Такая ситуация может случиться и не только с КМОПами Зависит от внутренностей мелкосхемы. У меня было что-то похожее с какимито аналоговыми, но давно и запамятовал с чем именно. Питание было оборвано но микросхема как-то хреновенько но работала

[slava1]

Более похоже на "работу" защитных диодов от статики по входу. Там 2 диода, включеных последовательно между "землей" и питанием микросхемы. А вход логики подключен всередине. Получается как раз выпрямитель, и шунтирующие конденсаторы по питанию работают как сглаживающие. Питание микросхем почти номинальное, т.к. уровни КМОП равны питанию. А, как Вы правильно сказали, работа всей схемы возможна только потому, что потребление у МС очень уж мало.

Эти диоды, кстати, есть и в ТТЛ, ТТЛШ-сериях, и в полевиках с изолированным затвором (кроме кп350 )

[Relayer]

Это не статика, это как раз переменка Защитный диод и блокировочный конденсатор на ноге питания образуют обычный выпрямитель. На вход подаются импульсы которые через защитный диод заряжают этот конденсатор почти до напряжения питания, и учитывая малое энергопотребление и высокую входную частоту все как ни странно работает А вот когда понизили частоту до 50гц емкости конденсатора в 0.1u не хватило чтобы сгладить пульсации и все работаьт перестало. Надо было ТС увеличить емкость этого конденсатора и сдать работу :)

[slava1]

Так я про это и говорил. Диоды там стоят для защиты от статики, а в данном случае они превратились в выпрямительные.

"легким движением руки брюки (и диоды) превращаются ..."