劉 輝 韓曉東 張皓源 王 喆

(中國航天宇航元器件工程中心，北京 100029)

基于宇航用譯碼器開關(guān)時(shí)間特性研究

劉 輝 韓曉東 張皓源 王 喆

(中國航天宇航元器件工程中心，北京 100029)

宇航用譯碼器在滿足其基本譯碼功能正常的基礎(chǔ)上，在復(fù)雜電氣環(huán)境使用中，譯碼器要保證其開關(guān)時(shí)間參數(shù)傳輸延遲時(shí)間及輸出轉(zhuǎn)換時(shí)間滿足使用要求。在復(fù)雜電氣環(huán)境條件下即不同負(fù)載以及不同輸入電壓情況下，對器件各輸出引腳的開關(guān)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明被測試器件傳輸延遲時(shí)間最大值為2.1214μs，輸出高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間最大值分別為1.6769μs與8.1214μs，被驗(yàn)證器件的開關(guān)時(shí)間特性參數(shù)隨輸入電壓的增加而減小，隨負(fù)載電容的變大而延長。該開關(guān)時(shí)間特性的研究為產(chǎn)品設(shè)計(jì)在復(fù)雜電氣環(huán)境條件下對器件的使用，提供有效的趨勢判斷與數(shù)據(jù)支撐。

譯碼器 傳輸 延遲 輸出 開關(guān)時(shí)間

1 引 言

由于衛(wèi)星產(chǎn)品對于高可靠國產(chǎn)元器件的需求不斷增加，國產(chǎn)元器件的功能性能能否滿足宇航復(fù)雜電氣環(huán)境使用條件，成為國產(chǎn)元器件是否被宇航衛(wèi)星產(chǎn)品應(yīng)用的關(guān)鍵[1,2]。目前隨著自主可控國產(chǎn)化元器件應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目的實(shí)施，大量國產(chǎn)CMOS邏輯電路只有通過應(yīng)用驗(yàn)證，才能便于設(shè)計(jì)師選用，而譯碼器作為產(chǎn)品大量使用的關(guān)鍵器件，主要用于離散指令的上注與發(fā)送，針對該器件在應(yīng)用時(shí)滿足其基本譯碼功能正常的基礎(chǔ)上，對于離散指令的傳輸時(shí)間要求同樣重要。

針對研制的4-16線譯碼器在鑒定級試驗(yàn)，只在一種輸入電壓10V以及50pF的單一試驗(yàn)條件下，進(jìn)行器件開關(guān)時(shí)間參數(shù)測試的局限，基于器件輸入電壓范圍寬(3V～15V)、容性負(fù)載使用多樣化的特點(diǎn)，在器件典型輸入電壓10V的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展器件板級試驗(yàn)條件，采用2.7V，10V以及16.5V輸入電壓，在相應(yīng)輸入電壓下，分別采用50pF，220pF，470pF以及1000pF負(fù)載電容，對器件各輸出引腳的開關(guān)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行了測試，被測試器件開關(guān)時(shí)間參數(shù)隨著電壓的升高不斷減小，隨著負(fù)載電容的增加不斷增大，通過不同負(fù)載以及器件不同輸入電壓復(fù)雜電氣環(huán)境測試條件的組合測試，達(dá)到充分檢驗(yàn)器件在不同使用條件下開關(guān)時(shí)間參數(shù)(tPLH≤3μs，tTHL≤10μs，tTLH≤10μs)是否符合使用要求的目的，進(jìn)而避免器件在衛(wèi)星等產(chǎn)品中的使用風(fēng)險(xiǎn)。

2 器件信息

半導(dǎo)體集成電路XXXX是一款4-16線譯碼器，器件采用0.5μm三層金屬的硅柵高壓(18V)CMOS工藝，全定制設(shè)計(jì)，無SRAM 結(jié)構(gòu)，芯片尺寸2.582mm×2.131mm。DIP24封裝器件的外殼內(nèi)腔體積(60.45±10)mm3。采用銀漿導(dǎo)電膠裝片，硅鋁絲鍵合，采用熔封封帽工藝，器件蓋板面積為157mm2，引線材料和鍍涂按GJB597A-1996中3.5.6的規(guī)定。引線材料采用柯伐，涂覆采用鍍鎳鍍金，外層鍍金層厚度1.27μm～3.5μm，該器件在輸入電壓10V且外接電容負(fù)載50pF情況下，傳輸延遲時(shí)間(tPLH)要求不大于3μs，輸出轉(zhuǎn)換器件要求不大于10μs。

該器件是一款防單點(diǎn)失效、帶驅(qū)動器、無鎖存的抗輻照4-16線譯碼器，主要由雙冗余譯碼和雙冗余輸出驅(qū)動電路組成，雙冗余譯碼器采用通用典型的譯碼結(jié)構(gòu)形式、輸出驅(qū)動電路采用2串2并4個(gè)PMOS晶體管冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，器件最大輸入電源電壓范圍-0.5V～18V，推薦輸入電源電壓范圍3V～15V，具有較寬的電壓輸入范圍，器件功能框圖如圖1所示。

3 開關(guān)時(shí)間參數(shù)測試方法

譯碼器的開關(guān)時(shí)間參數(shù)主要包括輸入到輸出端的傳輸延遲時(shí)間以及輸出端從高電平轉(zhuǎn)換到低電平(或低電平到高電平)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。其中基于傳輸延遲的測量方法主要有基于網(wǎng)絡(luò)分析儀、基于矢量信號分析儀、基于相位計(jì)以及基于示波器的時(shí)延測量方法，通過以上傳輸延遲方法研究[3～7]，采用示波器測試方法對譯碼器的開關(guān)時(shí)間參數(shù)傳輸延遲時(shí)間以及輸出轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行測量。

由于寬帶存儲示波器具有高速采集并儲存的能力，因此可以通過示波器來測試不同通道間的延遲時(shí)間以及單一通道的高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間。采用示波器測量延遲時(shí)間的原理是：將同一激勵信號分成兩路信號，一路直接連接到示波器通道上，一路經(jīng)過被測器件連接到示波器的另一通道上，利用示波器測量這兩個(gè)通道的通道延遲時(shí)間，測試原理波形如圖2所示，其中延時(shí)時(shí)間Δt=t1-t2。采用示波器測量輸出高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間的測試原理是：通過器件輸入端的激勵信號，采用一路示波器，在被測器件的輸出端測量器件的高電平轉(zhuǎn)換到低電平(或低電平到高電平)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，測量原理波形如圖3所示。

在器件延遲時(shí)間測試中，以輸入信號與輸出信號的時(shí)間差值Δt=t1-t2作為器件的傳輸延遲時(shí)間，如圖2所示延遲時(shí)間測量原理波形，在測試中采用雙通道示波器，當(dāng)器件處于使能狀態(tài)并執(zhí)行譯碼切換指令時(shí)，對器件的譯碼指令輸入引腳以及輸出引腳的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測量，給出器件的傳輸延遲時(shí)間；在電平轉(zhuǎn)換時(shí)間測試中，以電平變化起始的起始時(shí)間到輸出電平穩(wěn)定的時(shí)間差值稱為被測器件的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間，如圖3所示的輸出轉(zhuǎn)換時(shí)間測量原理圖，在測試中采用一路示波器，當(dāng)器件執(zhí)行譯碼切換指令時(shí)，在器件輸出端對器件的輸出轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行測量。

4 硬件試驗(yàn)系統(tǒng)

針對研制的4-16線譯碼器硬件系統(tǒng)試驗(yàn)裝置通過“上位機(jī)”+“被驗(yàn)證器件驗(yàn)證板”+“被驗(yàn)證器件控制板”的形式組成。該被驗(yàn)證器件測試硬件系統(tǒng)裝置如圖4所示。其中，被驗(yàn)證器件測試板分為測試底板與測試子板，測試底板和子板采用扣卡板的結(jié)構(gòu)形式，底層為底板，為試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的主體部分；頂層為被驗(yàn)器件板，為實(shí)際被測部分。器件驗(yàn)證子板上，分別通過50pF,220pF,470pF以及1 000pF負(fù)載電容插槽與被測器件相連，設(shè)置不同的負(fù)載檔驗(yàn)證器件的帶負(fù)載能力，通過ARM微控制器對器件輸入電壓進(jìn)行調(diào)整，驗(yàn)證器件在不同輸入電壓條件下(2.7V,10V,16.5V)以及不同負(fù)載條件下，器件的功能性能以及開關(guān)時(shí)間參數(shù)是否滿足使用要求。

其中被測器件在整個(gè)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)如圖5所示。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)充分依據(jù)型號典型譯碼器設(shè)計(jì)線路，采用ARM控制器通過串口對100萬門FPGA進(jìn)行發(fā)送譯碼控制指令，F(xiàn)PGA將譯碼值通過74LVC164245電平變換電路輸出至被驗(yàn)證器件的高電壓變換電路，此時(shí)，被驗(yàn)證器件直接獲取譯碼輸入值，在獲取譯碼值后將碼值輸出至低壓變換電路，F(xiàn)PGA以50MHz的采樣時(shí)鐘對譯碼器輸出譯碼信號進(jìn)行采樣，并將采樣值返回上位機(jī)。為實(shí)現(xiàn)器件不同輸入電壓下的測試，電路設(shè)計(jì)中采用ARM控制器，通過串口控制數(shù)字電位器，通過數(shù)字電位器的電壓切換實(shí)現(xiàn)不同電壓輸入的控制，實(shí)現(xiàn)電源電壓的拉偏，并在不同輸入電壓條件下，應(yīng)用高頻率數(shù)字示波器在器件不同輸出負(fù)載情況下對開關(guān)時(shí)間參數(shù)(輸入到輸出端的傳輸延遲時(shí)間、輸出端從高電平轉(zhuǎn)換到低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸出端從低電平轉(zhuǎn)換到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)間)進(jìn)行測試。采用ARM控制器以及數(shù)字電位器的切換方式解決不同輸入電壓(2.7V,10V,16.5V)以及不同負(fù)載情況下(50pF,200pF,470pF,1 000pF)同時(shí)分別測試的難題，大大提高了測試效率，解決器件鑒定級單一測試應(yīng)力不充分等問題。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

針對該4-16線譯碼器開關(guān)時(shí)間測試，在器件電源輸入端，分別加以2.7V，10V以及16.5V輸入電壓，在相應(yīng)輸入電壓下，分別采用1 000pF,470pF,220pF以及50pF負(fù)載電容，測量器件每一個(gè)輸出引腳的傳輸延遲時(shí)間、輸出端從高電平轉(zhuǎn)換到低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸出端從低電平轉(zhuǎn)換到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)間。

在試驗(yàn)過程中對器件的輸入電壓2.7V、10V以及16.5V分別進(jìn)行了校準(zhǔn)，使器件輸入電壓VDD分別為2.700V，10.000V以及16.500V，滿足使用要求，對于被驗(yàn)證器件的開關(guān)時(shí)間測試，采用示波器探頭直接與器件引腳根部相連的方式，消除器件因板間長線傳輸延時(shí)產(chǎn)生的誤差。測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，表1中以Y0引腳為例給出試驗(yàn)結(jié)果。依據(jù)表1可以看出，Y0引腳傳輸延遲時(shí)間(tPLH)最大值為2.121 4μs，輸出端從高電平轉(zhuǎn)換到低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間(tTHL)最大值為8.121 4μs，輸出端從低電平轉(zhuǎn)換到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)間(tTLH)最大值為1.676 9μs，測試結(jié)果表明被測試器件測試延遲時(shí)間、高電平轉(zhuǎn)換到低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間、低電平轉(zhuǎn)換到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)間均滿足使用手冊要求，延遲時(shí)間最大值沒有超過3μs，高電平轉(zhuǎn)換到低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間以及低電平轉(zhuǎn)換到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)間最大值均沒有超過10μs。

依據(jù)表1測試試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)器件各輸出引腳的傳輸延遲時(shí)間、高電平轉(zhuǎn)換到低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間、低電平轉(zhuǎn)換到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)間均隨著電壓的升高而不斷減小，隨著負(fù)載電容的增加不斷增大。圖6中以Y0引腳在2.7V輸入電壓下為例，給出開關(guān)時(shí)間參數(shù)隨不同負(fù)載的變化曲線，從曲線中可以得出各開關(guān)時(shí)間參數(shù)隨負(fù)載電容的增大不斷增大。圖7中給出Y0引腳負(fù)載電容1 000pF情況下，開關(guān)時(shí)間參數(shù)隨輸入電壓的變化曲線，從曲線中可以得出各開關(guān)時(shí)間參數(shù)隨輸入電壓的增大而不斷減小，其余引腳的變換趨勢與Y0引腳一致。

序號輸出引腳開關(guān)時(shí)間(μs)試驗(yàn)條件 U、C2．7V、1000pF2．7V、470pF2．7V、200pF2．7V、50pF10V、1000pF10V、470pF10V、200pF10V、50pF16．5V、1000pF16．5V、470pF16．5V、200pF16．5V、50pF1Y0=1傳輸延遲時(shí)間/tPLH2．12141．08970．82110．80991．23250．90990．73220．61111．06580．77660．57660．4444高到低電平時(shí)間/tTHL8．12145．84531．35441．30996．78803．77661．68771．00005．28803．17661．19880．7222低到高電平時(shí)間/tTLH1．67690．82310．55440．47661．01030．62110．44330．33330．89920．53220．33220．2222

6 結(jié)束語

充分依據(jù)產(chǎn)品對器件不同電壓以及不同負(fù)載的使用情況，進(jìn)一步擴(kuò)展器件鑒定級單一開關(guān)時(shí)間測試條件，充分驗(yàn)證器件在不同負(fù)載情況下，器件的帶負(fù)載能力。對研制的4-16線譯碼器在不同輸入電壓以及不同負(fù)載電容條件下進(jìn)行了開關(guān)時(shí)間參數(shù)測試，被測試器件開關(guān)時(shí)間參數(shù)隨著電壓的升高不斷減小，隨著負(fù)載電容的增加不斷增大，通過對不同負(fù)載以及器件不同輸入電壓復(fù)雜電氣環(huán)境測試條件的組合測試，驗(yàn)證器件開關(guān)時(shí)間參數(shù)是否符合使用要求，進(jìn)而避免器件在產(chǎn)品中的使用風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 肖虹，蔡少英，劉涌.國外塑封微電路的可靠性研究進(jìn)展[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn), 2006，12(7)：22～25.

[2] 張安康．微電子器件與電路可靠性[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994:11～12.

[3] 黃凱冬.利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量時(shí)延特性的方法[J].電訊技術(shù)，2007,47(01):193～195.

[4] 李建宇.雙通道矢量信號分析儀測試系統(tǒng)延遲特性[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2006,1(06):95～97.

[5] 尹仲琪.時(shí)延測量方法的分析與比較[J].電訊技術(shù)，2006,46(06):213～216.

[6] 李德儒. 群時(shí)延測量技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1990:180～182.

[7] Hyland B．Using time domain reflectometer to measure the transmission delay[J]．Electronic Technology Application，2010，23(6)：107～110.

ResearchofSwitchingTimeCharacteristicsBasedonAerospace-usedDecoders

LIU Hui HAN Xiao-dong ZHANG Hao-yuan WANG Zhe

(China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100029，China)

Aerospace-used decoders need to guarantee not only the basic decoding function, but also the switching time characteristics including transmission delay and output switching time to meet the application requirement in the complex electrical environment. The the switching time parameters of every output pin in cases of different output loads and input voltages are tested. The test result shows that the max transmission delay of the decoder is 2.1214μs, the max output transmission time from high voltage to low voltage is 1.6769μs and the one from low voltage to high voltage is 8.1214μs. The switching time characteristic parameters decrease with the input voltage increased, and increase with larger load capacitance.This research provided an effective trend judgment and data support for design in a complex electromagnetic environment conditions.

Decoder Transmission Delay Output Switching time

2016-11-18，

2017-03-20

劉輝(1982-)，男，博士，工程師，主要研究方向：航天器用元器件應(yīng)用驗(yàn)證。

1000-7202(2017) 04-0071-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.15

TN764

A