Основная причина почти всех неисправностей в схемных решениях — это либо отсутствие контакта там, где он должен быть, либо наличие его там, где его быть не должно. Это знают все, кто сталкивался с разработкой, ремонтом или эксплуатацией электронной техники. Иной раз поиск подобных неисправностей становится нетривиальной задачей. Об одном таком случае, который произошел со мной во время осваивания КМОП-технологий, хотелось бы рассказать.
В начале 80-х годов на четвертом курсе политеха я от руководителя получил несложное задание — макетировать 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 поддержкой вывода на семисегментный индикатор и светодиодную матрицу. На эту перспективную микросхему возлагались большие надежды в любительском частотомеростроении, изготовлении разнообразных электронных часов и в конструировании любительских дозиметров (после известных событий 1986 г). По совету шефа, я бегло ознакомился с переводным изданием «Интегральные микросхемы с КМОП структурами» 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 запустить) в деле разработки новых устройств, практически все узлы электронной техники желательно было макетировать на специальных платах (макетницах).

Каждое предприятие, где было своё КБ, делало макетные платы на свой вкус и под свои задачи. В КПИ они использовались в основном для проведения несложных лабораторных работ по аналоговой технике, наподобие показанной выше. На одной из таких плат, представляющей собой текстолитовый лист с установленными в несколько рядов лепестками, я и собрал экспериментальную схему. На макетной плате сверху и снизу луженым монтажным проводом Ø1,5 мм были проложены две шины — земля и питание. На счетный вход первой микросхемы подавались импульсы от 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, как и положено, была равна примерно 1 МГц. Я доложил шефу, что все работает. 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 ключ со светодиодом АЛ102А (на то время чуть ли не единственный доступный светодиод красного цвета свечения в полностью металлическом корпусе).
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 нулевые потенциалы. Меняю микросхемы — результат тот же. Отпаиваю базовый резистор R1 ключа от выхода счетчика — все работает. Ставлю 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 отрешенно смотрю на осциллограф , где видно, как мои счетчики прекрасно работают. Приехали, называется.
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 CMOS 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 CMOS-микросхемах первых поколений были паразитные элементы — диоды и тиристоры, которые получались как побочный эффект при формировании 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 обжиг! — 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 CMOS преподнес мне свой первый (но далеко не последний) урок. Кроме того, о загадочном поведении CMOS-микросхем еще упоминали Хоровиц с Хилом в своей знаменитой хрестоматии «Искусство схемотехники». Как известно, эта технология сейчас является основной в современной электронной технике и детские болезни успешно преодолены. Но «наука о контактах» свое возьмет в любом случае.