CMOS: случай из жизни

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.