Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Микросхемы

Микросхема (ИС – Интегральная Схема, ИМС – Интегральная Микросхема , чип или микрочип от английского Chip, Microchip) представляет собой целое устройство, содержащее в себе транзисторы, диоды, резисторы и другие, активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков, сотен, тысяч, десятков тысяч и более. Разновидностей микросхем достаточно много. Наиболее применяемые среди них – логические , операционные усилители , специализированные .

Большая часть микросхем помещена в пластмассовый корпус прямоугольной формы с гибкими пластинчатыми выводами (см. Рис. 1), расположенными вдоль обеих сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ - круглая или иной формы метка, от которой ведется нумерация выводов. Если на микросхему смотреть сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу - то в направлении движения часовой стрелки. Микросхемы могут иметь любое количество выводов.

В отечественной электронике (впрочем, в зарубежной тоже) особой популярностью среди микросхем пользуются логические, построенные на основе биполярных транзисторов и резисторов. Их еще называют ТТЛ-микросхемами (ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика) . Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций, так и для усиления выходного сигнала. Весь их принцип работы построен на двух условных уровнях: низком или высоком или, что эквивалентно, состоянию логического 0 или логической 1. Так, для микросхем серии К155 за низкий уровень, соответствующий логическому 0, приняты напряжения от 0 до 0,4. В, то есть не более 0,4 В, а за высокий, соответствующий логической 1, – не менее 2,4 В и не более напряжения источника питания – 5 В, а для микросхем серии К176, рассчитанных на питание от источника, напряжением 9 В, соответственно 0,02. ..0,05 и 8,6. ..8,8 В.

Маркировка зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74 , например 7400. Условные графические обозначения основных элементов логических микросхем показаны на Рис. 2. Там же приведены таблицы истинности, дающие представление о логике действия этих элементов.

Символом логического элемента И служит знак “&” (союз “и” в английском языке) , стоящий внутри прямоугольника (см. Рис.2). Слева - два (или больше) входных вывода, справа - один выходной вывод. Логика действия этого элемента такова: напряжение высокого уровня на выходе появится лишь тогда, когда сигналы такого же уровня будут на всех его входах. Такой же вывод можно сделать, глядя на таблицу истинности, характеризующую электрическое состояние элемента И и логическую связь между его выходным и входными сигналами. Так, например, чтобы на выходе (Вых.) элемента было напряжение высокого уровня, что соответствует единичному (1) состоянию элемента, на обоих входах (Вх. 1 и Вх. 2) должны быть напряжения такого же уровня. Во всех других случаях элемент будет в нулевом (0) состоянии, то есть на его выходе будет действовать напряжение низкого уровня.
Условный символ логического элемента ИЛИ - цифра 1 в прямоугольнике. У него, как и у элемента И, может быть два и больше входов. Сигнал на выходе, соответствующий высокому уровню (логической 1) , появляется при подаче сигнала такого же уровня на вход 1 или на вход 2 или одновременно на все входы. Проверьте эти логические взаимосвязи выходного и входного сигналов этого элемента по его таблице истинности.
Условный символ элемента НЕ - тоже цифра 1 внутри прямоугольника. Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое отрицание “НЕ” на выходе элемента. На языке цифровой техники “НЕ” означает, что элемент НЕ является инвертором, то есть электронным “кирпичиком”, выходной сигнал которого по уровню противоположен входному. Другими словами: пока на его входе присутствует сигнал низкого уровня, на выходе будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Об этом говорят и логические уровни в таблице истинности работы этого элемента.
Логический элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ , поэтому на его условном графическом обозначении есть знак “& ” и небольшой кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два и больше. Логика работы элемента такова: сигнал высокого уровня на выходе появляется лишь тогда, когда на всех входах будут сигналы низкого уровня. Если хотя бы на одном из входов будет сигнал низкого уровня, на выходе элемента И-НЕ будет сигнал высокого уровня, то есть он будет в единичном состоянии, а если на всех входах будет сигнал высокого уровня - в нулевом состоянии. Элемент И-НЕ может выполнять функцию элемента НЕ, то есть стать инвертором. Для этого надо лишь соединить вместе все его входы. Тогда при подаче на такой объединенный вход сигнала низкого уровня на выходе элемента будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в цифровой технике.

Обозначение символов логических элементов (знаков “&” или “1”) применяется только в отечественной схемотехнике.

ТТЛ-микросхемы обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток – большая потребляемая мощность.
В ряде случаев, когда не нужно высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют КМОП-микросхемы , которые используются полевые транзисторы, а не биполярные. Сокращение КМОП (CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor) расшифровывается как Комплементарный Металло-Оксидный Полупроводник. Основная особенность микросхем КМОП – ничтожное потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ. К КМОП-микросхемам относятся такие известные серии, как К176, К561, КР1561 и 564.

В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками – линейные микросхемы , к которым относятся ОУ – Операционные Усилители . Наименование “операционный усилитель ” обусловлено тем, что, прежде всего такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т.д. Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.

Операционные усилители имеют два входа – инвертирующий и неинвертирующий. На схеме обозначаются минусом и плюсом соответственно (см. Рис.3). Подавая сигнал на вход плюс – на выходе получается неизменный, но усиленный сигнал. Подавая его на вход минус, на выходе получается перевернутый, но тоже усиленный сигнал.

При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. К этой категории микросхем относятся чипы, которые предназначены для чего-то определенного. Например, существуют микросхемы усилителей мощности, стереоприемников, различных декодеров. Все они могут иметь совершенно разный вид. Если одна из таких микросхем имеет металлическую часть с отверстием, это означает, что ее нужно привинчивать к
радиатору.

Со специализированными микросхемами иметь дело куда приятнее, чем с массой транзисторов и резисторов. Если раньше для сборки радиоприемника необходимо было множество деталей, то теперь можно обойтись одной микросхемой.

Микросхемы - наиболее приближены к тому, чтобы называться «черным ящиком» - они и вправду черные, и внутренности их - для многих остаются загадкой.

Эту завесу тайны мы сегодня и приподнимем, и поможет нам в этом - серная и азотная кислота.

Внимание! Любые операции с концентрированными (а тем более кипящими) кислотами крайне опасны, и работать с ними можно только используя соответствующие средства защиты (перчатки, очки, фартук, вытяжка). Помните, у нас всего 2 глаза, и каждому хватит одной капли: потому все что тут написано - повторять не стоит.

Открываем

Берем интересующие нас микросхемы, добавляем концентрированной серной кислоты. Довести до кипения (~300 градусов), не помешивать:-) На дне насыпана сода - чтобы нейтрализовать пролитую кислоту и её пары.

Через 30-40 минут от пластика остается углерод:

Достаем и выбираем, что пойдет еще на одну живительную кислотную ванну, а что уже готово:

Если куски углерода намертво прилипли к кристаллу, их можно удалить кипящей концентрированной азотной кислотой (но температура тут уже намного ниже, ~110-120C). Разбавленная кислота съест металлизацию, потому нужна именно концентрированная:

Смотрим

Картинки кликабельны (5-25Мб JPEG-и). Некоторые фотографии кто-то из вас мог уже видеть у меня.
Цвета традиционно «усилены» до максимума - в реальности буйство красок намного меньше.

PL2303HX - конвертор USB<>RS232, такие используются во всяких Arduino и иже с ними:

LM1117 - линейный регулятор питания:

74HC595 - 8-и битный сдвиговой регистр:

NXP 74AHC00
74AHC00 - 4 NAND (2И-НЕ) элемента. Глядя на гигантский размер кристалла (944x854 µm) - становится очевидно что и «старые» микронные технологии до сих пор используются. Интересно обилие «резервных» via для увеличения выхода годных.

Micron MT4C1024 - микросхема динамической памяти, 1 Мебибит (2 20 бит). Использовалась во времена 286 и 386. Размер кристалла - 8662x3969µm.

AMD Palce16V8h
Микросхемы GAL(Generic array logic) - предшественники FPGA и CPLD.
AMD Palce16V8h это 32x64 массив элементов AND.
Размер кристалла - 2434x2079µm, технология 1µm.

ATtiny13A - один из самых мелких микроконтроллеров Atmel: 1кб флеш-памяти и 32 байта SRAM. Размер кристалла - 1620x1640 µm. Технологические нормы - 500nm.

ATmega8 - один из наиболее популярных 8-и битных микроконтроллеров.
Размер кристалла - 2855x2795µm, технологические нормы 500nm.

КР580ИК80А (позже переименованный в КР580ВМ80А) - один из наиболее массовых советских процессоров.

Оказалось, что вопреки распространенному убеждению, он не является послойной копией Intel 8080/8080A (некоторые блоки похожи, но разводка и расположение контактных площадок существенно отличается).

Самые тонкие линии - 6µm.

STM32F100C4T6B - самый маленький микроконтроллер на ядре ARM Cortex-M3 производства STMicroelectronics. Размер кристалла - 2854x3123µm.

Altera EPM7032 - CPLD повидавшая многое, и одна из немногих работавших на 5В питании. Размер кристалла - 3446x2252µm, технологические нормы 1µm.

Черный ящик теперь открыт:-)
PS. Если у вас есть микросхемы имеющие историческое значение (например Т34ВМ1, советский 286, зарубежные старые и уникальные для своего времени чипы), присылайте - посмотрим что у них внутри.

Фотографии распространяются под лицензией

В этой статье мы поговорим о микросхемах, какие типы бывают, как устроены и где используются. Вообще, в современной электронной технике трудно найти устройство, в котором бы не использовались микросхемы. Даже самые дешёвые китайские игрушки задействуют различные планарные, залитые компаундом чипы, на которые возложена функция управления. Причём с каждым годом они становятся всё более сложными внутри, но более простыми в эксплуатации и меньшими по размерам, снаружи. Можно сказать, что идёт постоянная эволюция микросхем.

Микросхема представляет собой электронное устройство или его часть способную выполнять ту или иную задачу. Если бы потребовалось решить такую задачу, которую решают многие микросхемы, на дискретных элементах, на транзисторах, то устройство, вместо маленького прямоугольника размерами 1 сантиметр на 5 сантиметров, занимало бы целый шкаф, и было бы намного менее надежным. А ведь так выглядели вычислительные машины ещё пол-сотни лет назад!

Электронный шкаф управления - фото

Конечно, для работы микросхемы недостаточно просто подать питание на неё, необходим еще так называемый "обвес ”, то есть те вспомогательные детали на плате, вместе с которыми микросхема сможет выполнять свою функцию.

Обвес микросхемы - рисунок

На рисунке выше красным выделена сама микросхема все остальные детали - это её "обвес ”. Очень часто микросхемы при своей работе нагреваются, это могут быть микросхемы стабилизаторов, микропроцессоров и других устройств. В таком случае чтобы микросхема не сгорела её нужно прикрепить на радиатор. Микросхемы, которые при работе должны нагреваться, проектируются сразу со специальной теплоотводящей пластиной - поверхностью, находящейся обычно с обратной стороны микросхемы, которая должна плотно прилегать к радиатору.

Но в соединении даже у тщательно отшлифованных радиатора и пластины, все равно будут микроскопические зазоры, в результате которых тепло от микросхемы будет менее эффективно передаваться радиатору. Для того чтобы заполнить эти зазоры применяют теплопроводящую пасту. Ту самую, которую мы наносим на процессор компьютера, перед тем как закрепить на нем сверху радиатор. Одна из наиболее широко применяемых паст, это КПТ–8 .

Усилители на микросхемах можно спаять буквально за 1-2 вечера, и они начинают работать сразу, не нуждаясь в сложной настройке и высокой квалификации настраивающего. Отдельно хочу сказать про микросхемы автомобильных усилителей, из обвеса там иногда бывает буквально 4-5 деталей. Чтобы собрать такой усилитель, при определенной аккуратности, не требуется даже печатная плата (хотя она желательна) и можно собрать все навесным монтажем, прямо на выводах микросхемы.

Правда, такой усилитель после сборки лучше сразу поместить в корпус, потому, что такая конструкция ненадежна, и в случае случайного замыкания проводов можно легко спалить микросхему. Поэтому рекомендую всем начинающим, пусть потратить немного больше времени, но сделать печатную плату.

Регулируемые блоки питания на микросхемах - стабилизаторах даже проще в изготовлении, чем аналогичные на транзисторах. Посмотрите, сколько деталей заменяет простейшая микросхема LM317:

Микросхемы на печатных платах в электронных устройствах могут быть припаяны как непосредственно, к дорожкам печати, так и посажены в специальные панельки.

Панелька под дип микросхему - фото

Разница заключается в том, что в первом случае для того чтобы нам заменить микросхему нам придется её предварительно выпаять. А во втором случае, когда мы посадили микросхему в панельку, нам достаточно достать микросхему из панельки, и её можно с легкостью заменить на другую. Типичный пример замены микропроцессора в компьютере.

Также, к примеру, если вы собираете устройство на микроконтроллере на печатной плате, и не предусмотрели внутрисхемное программирование, вы сможете, если впаяли в плату не саму микросхему, а панельку, в которую она вставляется, то микросхему можно достать и подключить к специальной плате программатора.

В таких платах уже впаяны панельки под разные корпуса микроконтроллеров для программирования.

Аналоговые и цифровые микросхемы

Микросхемы выпускаются различных типов, они могут быть как аналоговыми так и цифровыми. Первые, как становится ясно из названия, работают с аналоговой формой сигнала, вторые же работают с цифровой формой сигнала. Аналоговый сигнал может принимать различную форму.

Цифровой сигнал это последовательность единиц и нулей, высокого и низкого уровня сигналов. Высокий уровень обеспечивается подачей на вывод 5 вольт или напряжения близкого к этому, низкий уровень это отсутствие напряжения или 0 вольт.

Существуют также микросхемы АЦП (аналогово - цифровой преобразователь ) и ЦАП (цифро - аналоговый преобразователь ) которые осуществляет преобразование сигнала из аналогового в цифровой, и наоборот. Типичный пример АЦП используется в мультиметре, для преобразования измеряемых электрических величин и отображения их на экране мультиметра. На рисунке ниже АЦП - это черная капля, к которой со всех сторон подходят дорожки.

Микроконтроллеры

Сравнительно недавно, по сравнению с выпуском транзисторов и микросхем, был налажен выпуск микроконтроллеров. Что же такое микроконтроллер?

Это специальная микросхема, может выпускаться как в Dip так и в SMD исполнении, в память которой может быть записана программа, так называемый Hex файл . Это файл откомпилированной прошивки, которая пишется в специальном редакторе программного кода. Но мало написать прошивку, нужно перенести, прошить, её в память микроконтроллера.

Программатор - фото

Для этой цели служит программатор . Как многим известно, есть много разных типов микронтроллеров - AVR , PIC и другие, для разных типов нам требуются разные программаторы. Также существует и , каждый сможет найти и изготовить себе подходящий по уровню знаний и возможностей. Если нет желания делать программатор самому, то можно купить готовый в интернет магазине или заказать с Китая.

На рисунке выше изображен микроконтроллер в SMD корпусе. Какие же плюсы есть в использовании микроконтроллеров? Если раньше, проектируя и собирая устройство на дискретных элементах или микросхемах, мы задавали работу устройства путем определенного, часто сложного соединения на печатной плате с использованием множества деталей. То теперь нам достаточно написать программу для микроконтроллера, которая будет делать тоже самое программным путем, зачастую быстрее и надежнее, чем схема без применения микроконтроллеров. Микроконтроллер представляет собой целый компьютер, с портами ввода - вывода, возможностью подключения дисплея и датчиков, а также управление другими устройствами.

Конечно усовершенствование микросхем на этом не остановится, и можно предположить, что лет через 10 возникнут действительно микросхемы от слова "микро " - невидимые глазу, которые будут содержать миллиарды транзисторов и других элементов, размерами в несколько атомов - вот тогда действительно создание сложнейших электронных устройств станет доступно даже не слишком опытным радиолюбителям! Наш краткий обзор подошёл к концу, с вами был AKV .

Обсудить статью МИКРОСХЕМЫ

Существуют два метода тестирования для диагностики неисправности электронной системы, устройства или печатной платы: функциональный контроль и внутрисхемный контроль. Функциональный контроль обеспе­чивает проверку работы тестируемого модуля, а внутрисхемный контроль состоит в проверке отдельных элементов этого модуля с целью выяснения их номиналов, полярности включения и т. п. Обычно оба этих метода при­меняются последовательно. С разработкой аппаратуры автоматического контроля появилась возможность очень быстрого внутрисхемного кон­троля с индивидуальной проверкой каждого элемента печатной платы, включая транзисторы, логические элементы и счетчики. Функциональ­ный контроль также перешел на новый качественный уровень благодаря применению методов компьютерной обработки данных и компьютерного контроля. Что же касается самих принципов поиска неисправностей, то они совершенно одинаковы, независимо от того, осуществляется ли про­верка вручную или автоматически.

Поиск неисправности должен проводиться в определенной логической последовательности, цель которой - выяснить причину неисправности и затем устранить ее. Число проводимых операций следует сводить к минимуму, избегая необязательных или бессмысленных проверок. Пре­жде чем проверять неисправную схему, нужно тщательно осмотреть ее для возможного обнаружения явных дефектов: перегоревших элементов, разрывов проводников на печатной плате и т. п. Этому следует уделять не более двух-трех минут, с приобретением опыта такой визуальный кон­троль будет выполняться интуитивно. Если осмотр ничего не дал, можно перейти к процедуре поиска неисправности.

В первую очередь выполняется функциональный тест: проверяется работа платы и делается попытка определить неисправный блок и по­дозреваемый неисправный элемент. Прежде чем заменять неисправный элемент, нужно провести внутрисхемное измерение параметров этого эле­мента, для того чтобы убедиться в его неисправности.

Функциональные тесты

Функциональные тесты можно разбить на два класса, или серии. Тесты серии 1 , называемые динамическими тестами, применяются к законченному электронному устройству для выделения неисправного каскада или блока. Когда найден конкретный блок, с которым связана неисправность, применяются тесты серии 2, или статические тесты, для определения одного или двух, возможно, неисправных элементов (резисторов, конден­саторов и т. п.).

Динамические тесты

Это первый набор тестов, выполняемых при поиске неисправности в элек­тронном устройстве. Поиск неисправности должен вестись в направлении от выхода устройства к его входу по методу деления пополам. Суть этого метода заключается в следующем. Сначала вся схема устройства де­лится на две секции: входную и выходную. На вход выходной секции подается сигнал, аналогичный сигналу, который в нормальных условиях действует в точке разбиения. Если при этом на выходе получается нор­мальный сигнал, значит, неисправность должна находиться во входной секции. Эта входная секция делится на две подсекции, и повторяется предыдущая процедура. И так до тех пор, пока неисправность не будет локализована в наименьшем функционально отличимом каскаде, напри­мер в выходном каскаде, видеоусилителе или усилителе ПЧ, делителе частоты, дешифраторе или отдельном логическом элементе.

Пример 1. Радиоприемник (рис. 38.1)

Самым подходящим первым делением схемы радиоприемника является деление на ЗЧ-секпию и ПЧ/РЧ-секцию. Сначала проверяется ЗЧ-секция: на ее вход (регулятор громкости) подается сигнал с частотой 1 кГц через разделительный конденсатор (10-50 мкФ). Слабый или искаженный сигнал, а также его полное отсутствие указывают на неисправность ЗЧ-секции. Делим теперь эту секцию на две подсекции: выходной каскад и предусилитель. Каждая подсекция прове­ряется, начиная с выхода. Если же ЗЧ-секция исправна, то из громкоговорителя должен быть слышен чистый тональный сигнал (1 кГц). В этом случае неис­правность нужно искать внутри ПЧ/РЧ-секции.

Рис. 38.1.

Очень быстро убедиться в исправности или неисправности ЗЧ-секции мож­но с помощью так называемого «отверточного» теста. Прикоснитесь концом отвертки к входным зажимам ЗЧ-секции (предварительно установив регулятор громкости на максимальную громкость). Если эта секция исправна, будет отче­тливо слышно гудение громкоговорителя.

Если установлено, что неисправность находится внутри ПЧ/РЧ-секции, сле­дует разделить ее на две подсекции: ПЧ-секцию и РЧ-секцию. Сначала прове­ряется ПЧ-секция: на ее вход, т. е. на базу транзистора первого УПЧ подается амплитудно-модулированный (AM) сигнал с частотой 470 кГц 1 через раздели­тельный конденсатор емкостью 0,01-0,1 мкФ. Для ЧМ-приемников требуется частотно-модулированный (ЧМ) тестовый сигнал с частотой 10,7 МГц. Если ПЧ-секция исправна, в громкоговорителе будет прослушиваться чистый тональный сигнал (400-600 Гц). В противном случае следует продолжить процедуру разбиения ПЧ-секции, пока не будет найден неисправный каскад, например УПЧ или детектор.

Если неисправность находится внутри РЧ-секции, то эта секция по возмож­ности разбивается на две подсекции и проверяется следующим образом. АМ-сигнал с частотой 1000 кГц подается на вход каскада через разделительный конденсатор емкостью 0,01-0,1 мкФ. Приемник настраивается на прием радио­сигнала с частотой 1000 кГц, или длиной волны 300 м в средневолновом диапа­зоне. В случае ЧМ-приемника, естественно, требуется тестовый сигнал другой частоты.

Можно воспользоваться и альтернативным методом проверки - методом покаскадной проверки прохождения сигнала. Радиоприемник включается и на­страивается на какую-либо станцию. Затем, начиная от выхода устройства, с по­мощью осциллографа проверяется наличие или отсутствие сигнала в контроль­ных точках, а также соответствие его формы и амплитуды требуемым критериям для исправной системы. При поиске неисправности в каком-либо другом элек­тронном устройстве на вход этого устройства подается номинальный сигнал.

Рассмотренные принципы динамических тестов можно применить к любому электронному устройству при условии правильного разбиения системы и подбора параметров тестовых сигналов.

Пример 2. Цифровой делитель частоты и дисплей (рис. 38.2)

Как видно из рисунка, первый тест выполняется в точке, где схема делится при­близительно на две равные части. Для изменения логического состояния сигна­ла на входе блока 4 применяется генератор импульсов. Светоизлучающий диод (СИД) на выходе должен изменять свое состояние, если фиксатор, усилитель и СИД исправны. Далее поиск неисправности следует продолжить в делителях, предшествующих блоку 4. Повторяется та же самая процедура с использовани­ем генератора импульсов, пока не будет определен неисправный делитель. Если СИД не изменяет свое состояние в первом тесте, то неисправность находится в блоках 4, 5 или 6. Тогда сигнал генератора импульсов следует подавать на вход усилителя и т. д.

Рис. 38.2.

Принципы статических тестов

Эта серия тестов применяется для определения дефектного элемента в каскаде, неисправность которого установлена на предыдущем этапе про­верок.

1. Начать с проверки статических режимов. Использовать вольтметр с чувствительностью не ниже 20 кОм/В.

2. Измерять только напряжение. Если требуется определить величину тока, вычислить его, измерив, падение напряжения на резисторе из­вестного номинала.

3. Если измерения на постоянном токе не выявили причину неисправно­сти, то тогда и только тогда перейти к динамическому тестированию неисправного каскада.

Проведение тестирования однокаскадного усилителя (рис. 38.3)

Обычно номинальные значения постоянных напряжений в контрольных точках каскада известны. Если нет, их всегда можно оценить с прие­млемой точностью. Сравнив реальные измеренные напряжения с их но­минальными значениями, можно найти дефектный элемент. В первую очередь определяется статический режим транзистора. Здесь возможны три варианта.

1. Транзистор находится в состоянии отсечки, не вырабатывая никакого выходного сигнала, или в состоянии, близком к отсечке («уходит» в область отсечки в динамическом режиме).

2. Транзистор находится в состоянии насыщения, вырабатывая слабый искаженный выходной сигнал, или в состоянии, близком к насыщению («уходит» в область насыщения в динамическом режиме).

$11.Транзистор в нормальном статическом режиме.

Рис. 38.3. Номинальные напряжения:

V e = 1,1 В, V b = 1,72 В, V c = 6,37В.

Рис. 38.4. Обрыв резистора R 3 , транзистор

находится в состоянии отсечки: V e = 0,3 В,

V b = 0,94 В, V c = 0,3В.

После того как установлен реальный режим работы транзистора, вы­ясняется причина отсечки или насыщения. Если транзистор работает в нормальном статическом режиме, неисправность связана с прохождением переменного сигнала (такая неисправность будет обсуждаться позже).

Отсечка

Режим отсечки транзистора, т. е. прекращение протекания тока, имеет место, когда а) переход база-эмиттер транзистора имеет нулевое напря­жение смещения или б) разрывается путь протекания тока, а именно: при обрыве (перегорании) резистора R 3 или резистора R 4 или когда не­исправен сам транзистор. Обычно, когда транзистор находится в состо­янии отсечки, напряжение на коллекторе равно напряжению источника питания V CC . Однако при обрыве резистора R 3 коллектор «плавает» и теоретически должен иметь потенциал базы. Если подключить вольт­метр для измерения напряжения на коллекторе, переход база-коллектор попадает в условия прямого смещения, как видно из рис. 38.4. По це­пи «резистор R 1 - переход база-коллектор - вольтметр» потечет ток, и вольметр покажет небольшую величину напряжения. Это показание полностью связано с внутренним сопротивлением вольтметра.

Аналогично, когда отсечка вызвана обрывом резистора R 4 , «плавает» эмиттер транзистора, который теоретически должен иметь потенциал ба­зы. Если подключить вольтметр для измерения напряжения на эмиттере, образуется цепь протекания тока с прямым смещением перехода база-эмиттер. В результате вольтметр покажет напряжение, немного большее номинального напряжения на эмиттере (рис. 38.5).

В табл. 38.1 подытоживаются рассмотренные выше неисправности.

Рис. 38.5. Обрыв резистора R 4 , транзистор

находится в состоянии отсечки:

V e = 1,25 В, V b = 1,74 В, V c = 10 В.

Рис. 38.6. Короткое замыкание пе­рехода

база-эмиттер, транзистор на­ходится в

состоянии отсечки: V e = 0,48 В, V b = 0,48 В, V c = 10 В.

Отметим, что термин «высокое V BE » означает превышение нормального напряжения прямого смещения эмиттерного перехода на 0,1 – 0,2 В.

Неисправность транзистора также создает условия отсечки. Напря­жения в контрольных точках зависят в этом случае от природы неис­правности и номиналов элементов схемы. Например, короткое замыкание эмиттерного перехода (рис. 38.6) приводит к отсечке тока транзистора и параллельному соединению резисторов R 2 и R 4 . В результате потенци­ал базы и эмиттера уменьшается до величины, определяемой делителем напряжения R 1 – R 2 || R 4 .

Таблица 38.1. Условия отсечки

Неисправность		Причина
1. V e V b V c V BE	Vac	Обрыв резистора R 1
V e V b V c V BE	Высокое Нормальное V CC Низкое	Обрыв резистора R 4
V e V b V c V BE	Низкое Низкое Низкое Нормальное	Обрыв резистора R 3

Потенциал коллектора при этом, очевидно, ра­вен V CC . На рис. 38.7 рассмотрен случай короткого замыкания между коллектором и эмиттером.

Другие случаи неисправности транзистора приведены в табл. 38.2.

Рис. 38.7. Короткое замыкание между коллектором и эмиттером, транзистор находится в состоянии отсечки: V e = 2,29 В, V b = 1,77 В, V c = 2,29 В.

Таблица 38.2

Неисправность		Причина
V e V b V c V BE	0 Нормальное V CC Очень высокое, не может быть выдержано функционирующим pn -переходом	Разрыв перехода база-эмиттер
V e V b V c V BE	Низкое Низкое V CC Нормальное	Разрыв перехода база-коллектор

Насыщение

Как объяснялось в гл. 21, ток транзистора определяется напряжением прямого смещения перехода база-эмиттер. Небольшое увеличение этого напряжения приводит к сильному возрастанию тока транзистора. Ко­гда ток через транзистор достигает максимальной величины, говорят, что транзистор насыщен (находится в состоянии насыщения). Потенциал

Таблица 38.3

Неисправность		Причина
1. V e V b V c	Высокое (V c ) Высокое Низкое	Обрыв резистора R 2 или мало сопротивление резистора R 1
V e V b V c	Низкое Очень низкое	Короткое замыкание конденсатора C 3

коллектора уменьшается при увеличении тока и при достижении насыще­ния практически сравнивается с потенциалом эмиттера (0,1 – 0,5 В). Вооб­ще, при насыщении потенциалы эмиттера, базы и коллектора находятся приблизительно на одинаковом уровне (см. табл. 38.3).

Нормальный статический режим

Совпадение измеренных и номинальных постоянных напряжений и от­сутствие или низкий уровень сигнала на выходе усилителя указывают на неисправность, связанную с прохождением переменного сигнала, на­пример на внутренний обрыв в разделительном конденсаторе. Прежде чем заменять подозреваемый на обрыв конденсатор, убедитесь в его неис­правности, подключая параллельно ему исправный конденсатор близкого номинала. Обрыв развязывающего конденсатора в цепи эмиттера (C 3 в схеме на рис. 38.3) приводит к уменьшению уровня сигнала на выходе усилителя, но сигнал воспроизводится без искажений. Большая утечка или короткое замыкание в этом конденсаторе обычно вносит изменения в режим транзистора по постоянному току. Эти изменения зависят от статических режимов предыдущих и последующих каскадов.

При поиске неисправности нужно помнить следующее.

1. Не делайте скоропалительных выводов на основе сравнения измерен­ного и номинального напряжений только в одной точке. Нужно запи­сать весь набор величин измеренных напряжений (например, на эмит­тере, базе и коллекторе транзистора в случае транзисторного каскада) и сравнить его с набором соответствующих номинальных напряжений.

2. При точных измерениях (для вольтметра с чувствительностью 20 кОм/В достижима точность 0,01 В) два одинаковых показания в разных контрольных точках в подавляющем большинстве случаев указывают на короткое замыкание между этими точками. Однако бывают и исключения, поэтому нужно выполнить все дальнейшие про­верки для окончательного вывода.

Особенности диагностики цифровых схем

В цифровых устройствах самой распространенной неисправностью явля­ется так называемое «залипание», когда на выводе ИС или в узле схемы постоянно действует уровень логического 0 («константный нуль») или ло­гической 1 («константная единица»). Возможны и другие неисправности, включая обрывы выводов ИС или короткое замыкание между проводни­ками печатной платы.

Рис. 38.8.

Диагностика неисправностей в цифровых схемах осуществляется пу­тем подачи сигналов логического импульсного генератора на входы про­веряемого элемента и наблюдения воздействия этих сигналов на состо­яние выходов с помощью логического пробника. Для полной проверки логического элемента «проходится» вся его таблица истинности. Рассмотрим, например, цифровую схему на рис. 38.8. Сначала записываются логические состояния входов и выходов каждого логического элемента и сопоставляются с состояниями в таблице истинности. Подозрительный логический элемент тестируется с помощью генератора импульсов и логи­ческого пробника. Рассмотрим, например, логический элемент G 1 . На его входе 2 постоянно действует уровень логического 0. Для проверки эле­мента щуп генератора устанавливается на выводе 3 (один из двух входов элемента), а щуп пробника - на выводе 1 (выход элемента). Обращаясь к таблице истинности элемента ИЛИ-НЕ, мы видим, что если на одном из входов (вывод 2) этого элемента действует уровень логического 0, то уровень сигнала на его выходе изменяется при изменении логического со­стояния второго входа (вывод 3).

Таблица истинности элемента G 1

Вывод 2	Вывод 3	Вывод 1

Например, если в исходном состоянии на выводе 3 действует логический 0, то на выходе элемента (вывод 1) присутствует логическая 1. Если теперь с помощью генератора изменить логическое состояние вывода 3 к логической 1, то уровень выходного сиг­нала изменится от 1 к 0, что и зарегистрирует пробник. Обратный резуль­тат наблюдается в том случае, когда в исходном состоянии на выводе 3 действует уровень логической 1. Аналогичные тесты можно применить к другим логическим элементам. При этих тестах нужно обязательно пользоваться таблицей истинности проверяемого логического элемента, потому что только в этом случае можно быть уверенным в правильности тестирования.

Особенности диагностики микропроцессорных систем

Диагностика неисправностей в микропроцессорной системе с шинной структурой имеет форму выборки последовательности адресов и данных, которые появляются на адресной шине и шине данных, и последующего сравнения их с хорошо известной последовательностью для работающей системы. Например, такая неисправность, как константный 0 на линии 3 (D 3) шины данных, будет указываться постоянным логическим нулем на линии D 3 . Соответствующий листинг, называемый листингом состояния, получается с помощью логического анализатора. Типичный листинг со­стояния, отображаемый на экране монитора, показан на рис. 38.9. Как альтернатива может использоваться сигнатурный анализатор для сбора потока битов, называемого сигнатурой, в некотором узле схемы и сравнения его с эталонной сигнатурой. Различие этих сигнатур указывает на неисправность.

Рис. 38.9.

В данном видео рассказывается о компьютерном тестере для диагностики неисправностей персональных компьютеров типа IBM PC: