Функциональной интеграции

Под диагностикой электрической цепи понимается процесс определения ее параметров по данным измерений реакций цепи на определенные воздействия при сохранении цельности объектов диагностирования в процессе проведения экспериментов. Этот процесс состоит из двух этапов — экспериментального, на котором исследователь имеет дело с реальным физическим устройством (цепью), и расчетного, на котором исследователь имеет дело со схемой замещения цепи. По возможностям организации экспериментального этапа работы диагностику подразделяют на тестовую и функциональную. При тестовой диагностике исследователь задает режимы работы диагностируемого устройства и проводит измерения реакций, которые представляются ему наиболее информативными и/или обеспечивают простоту выполнения расчетного этапа диагностики. Часто в качестве таких режимов выбирают различные «экстремальные» режимы работы диагностируемого устройства, например режимы холостого хода и короткого замыкания. Тестовая диагностика проводится, как правило, на специальных стендах, оборудованных высокоточной измерительной аппаратурой. Функциональная диагностика проводится на работающих устройствах при наличии воздействий (вибрационных, тепловых, электромагнитных и т. д.) внешней среды, использовании стандартной измерительной аппаратуры в условиях ограниченности вариаций исследуемых режимов и, следовательно, повышенной сложности выполнения расчетного этапа работы. Ценность функциональной диагностики в ее оперативности, особенно если ее организация позволяет вести непрерывное наблюдение за параметрами схем и их изменением, что исключительно важно для прогнозирования надежности, работоспособности электротехнических устройств и систем, управления режимами их работы и т. д. Достоверность результатов тестовой диагностики выше, чем функциональной.

В случае функциональной диагностики резистивного многополюсника, входящего в состав сложной цепи ( 16.4, а), внешняя по отношению к многополюснику ее часть А в каждом7'-м режиме может быть заменена соответствующим многомерным генератором тока ( 16.4, б). Если при этом имеется возможность рассмотрения п независимых режимов^ = 1, 2,..., п, то по результатам измерений в них задающих токов узлов 3{ и соответствующих узловых напряжений U[, k = i,2,,,., п может быть составлена следующая система уравнений

Основное достоинство рассмотренного метода диагностики связано с возможностью выбора различных способов реализации экспериментальной части работы, что равно важно как для тестовой, так и для функциональной диагностики.

Развитие средств автоматики, переход к автоматизации все более сложных технологических процессов и новым методам управления производством, обеспечение надежной и экономичной эксплуатации крупного промышленного оборудования привело к выделению функциональной диагностики в самостоятельное научно-техническое направление, связанное с исследованием проблем автоматического определения работоспособности и прогнозирования технического состояния различного рода динамических объектов [18.17, 18.18].

В процессе эксплуатации на состояние объекта влияет множество различных факторов, которые по своей природе могут быть как неслучайными, например закономерное изменение площади контакта трущихся частей по мере их изнашивания, изменение условий смазки при увеличении зазоров и т.д., так и случайными — изменение нагрузочных и тепловых режимов, изменение физико-механических свойств смазочных материалов, влажность и запыленность внешней среды, квалификация обслуживающего персонала и множество других плохо поддающихся учету и нейтрализации факторов. Обычно, в лучшем случае, известны статистические характеристики этих факторов, однако и такая информация не всегда может быть привлечена при определении параметров системы, так как сам процесс измерения, в свою очередь, всегда носит вероятностный характер. Влияние случайных факторов на диагностируемый объект приводит к неоднозначности контроля его параметров. Внешним проявлением этого случайного характера является тот факт, что выходные параметры объекта и его состояние также представляют собой случайный процесс, а конкретный результат каждого измерения — его реализацию, поэтому при решении задач функциональной диагностики, и, в частности, оценки работоспособности динамических объектов, широкое распространение получили методы статистической теории распознавания образов и принятия решений при проверке гипотез [18.19].

задача автоматической функциональной диагностики сводится к определению принадлежности указанного случайного вектора Y,- к одному из т взаимоисключающих классов А- , характеризующих различные технические состояния диагностируемого объекта. При этом о совокупности векторов, принадлежащих одному классу, принимается гипотеза компактности [18.22] о включении всех объектов каждого класса в одно подмножество, состоящее из конечного количества связанных областей.

Современная вибродиагностическая аппаратура выпускается МНПО «Спектр» (табл. 18.14) и рядом зарубежных фирм (табл. 18.15). Для функциональной диагностики состояния подшипников качения (электродвигателей, электронасосов, вентиляторов и т.п.) применяют прибор ИСП-1, основанный на регистрации высокочастотных механических колебаний из-за соударений в повреж-

В данной главе рассмотрены системы функциональной диагностики, позволяющие оценивать состояние электрических машин и трансформаторов во время работы.

В системах функциональной диагностики нашли широкое применение устройства контроля химических и механических примесей в охлаждающем газе, позволяющие определять перегревы изоляции (по продуктам ее тепловой деструкции или по продуктам разложения термочувствительных покрытий) и степень ее механического износа (по составу и количеству механических примесей). Эти устройства могут быть как стационарными (для постоянного контроля состояния изоляции), так и переносными (для периодического контроля состояния изоляции).

Применение систем функциональной диагностики совместно с испытаниями и проверками во время ревизий и осмотров позволяет максимально увеличить межремонтный период, а при необходимости проведения ремонта более точно определить место и степень повреждения, минимизировав тем самым его объем и время проведения.

Для задач функциональной диагностики ММ применяются при моделировании (численный эксперимент) развития той или иной неисправности с целью выявления диагностических признаков и проверки эффективности работы технических средств диагностики. Существуют ММ нормально функционирующего элемента и ММ, в которые заложены данные развития той или иной неисправности. Последние ММ определяют связи между изменением конструктивных параметров, вызывающих ненормальную работу объекта, и измеряемыми параметрами. Эти два типа ММ могут существенно отличаться, так как появление неисправности может изменить структуру объекта, а также приводит к появлению новой переменной, характеризующей степень развития неисправности.

Классическим примером такого совмещения может служить ключ, построенный на МОП-транзисторах с электропроводностью одного типа (3.20). Функции стока и активного истока нагрузочного прибора выполняет диффузионная область. Необходимо отметить, что простая конструкция МОП-транзистора позволяет использовать элементы функциональной интеграции на более ранних этапах, чем в ИМС на БТ. Однако это ограничивает возможные структур но-топологические решения. Кроме того, применимость метода функциональной интеграции ограничена из-за поверхностного характера физических процессов, лежащих в основе принципа работы МДП-приборов. Так как приборы такого типа работают на основе поверхностных эффектов, то возможное число структурно-топологических решений сведено к минимуму.

В качестве второго классификационного признака (класса) примем методы функциональной интеграции. В настоящее время известны и широко используются при синтезе функционального интегрирования элементов БИС различные способы совмещения рабочих областей активных и пассивных компонентов. На основании анализа большого числа конструктивных вариантов функционально интегрированных элементов различного назначения выделим наиболее часто используемые:

Таким образом, в пределах каждого типа функционально-интегрированные элементы подразделяют на несколько классов в соответствии с методами функциональной интеграции.

Предложенную систему классификации можно представить в виде морфологической таблицы (табл.3.1). Области, отмеченные кружком, соответствуют известным, а области, отмеченные знаком плюс, — практически реализованным видам функционально-интегрированных элементов. Неотмеченные области относятся к неисследованным видам. Незаполненные графы (X) в пределах каждого класса (заштрихованные области) свидетельствуют о возможности и появлении новых способов организации цепей питания и новых методов функциональной интеграции.

Использование данного способа функциональной интеграции (особенно при построении маломощных ИМС) дает значительную экономию площади кристалла, позволяет в широких пределах варьировать мощность, потребляемую схемой, путем изменения толщины и удельного сопротивления коллекторной области. Для увеличения сопротивления эпитакси-альных коллекторных слоев используют «пережатие» эпитаксиальной области, где размещается резистор, с помощью скрытых или диффузионных поверхностных слоев, тип электропроводности которых противоположен типу электропроводности эпитаксиальной пленки. На 3.22 показана структура элемента, содержащего такие области (области 1). Такую структуру применяют для создания схем на ЭПЛ. На 3.23 показана топология триггерной схемы, выполненной в одном изолированном кармане /г-типа электропроводности на тг-р-п-транзисторах. Создание такой структуры стало возможным благодаря использованию в качестве резистивных слоев участков эпитаксиальной пленки «пережатых» скрытым р+ -слоем и поверхностным диффузионным слоем.

настоящее время в сочетании с комбинированным способом изоляции типа «изопланар». Данный способ функциональной интеграции позволяет также эффективно реализовать в ИМС основные достоинства коллекторно-изо-лированных структур.

Описанные функционально-интегрированные элементы полностью не устраняли недостатков традиционных структур ИМС на БТ. Изоляция элементов продолжает оставаться необходимой, хотя количество конструктивных элементов изоляции уменьшилось. Следовательно, технология ИМС не претерпела существенных изменений. За счет функциональной интеграции сократилось число внутрисхемных металлизированных соединений и контактных окон, уменьшилась площадь, необходимая для размещения элементов, и повысилась степень интеграции, что позволило реализовать первые БИС на БТ.

В основу структуры базового элемента инжекционно-полевой логики положен принцип функциональной интеграции технологически совместимых полупроводниковых приборов, использующих явление инжекции неосновных носителей заряда и полевой эффект. В этом смысле элементы инжекционно-полевой логики представляют собой качественно новые функциональные устройства. Структура инвертора ИПЛ приведена на 3.28. Элемент содержит ПЭв виде ПТУП, затвор которого служит входом, а сток — выходом инвертора. НЭ инвертора является генератором тока, один электрод которого подключен к затвору ПТУП, а другой — к шине источника питания (общая шина питания подведена к истоку ПТУП). В структуре, показанной на 3.28, генератор тока выполнен в виде БТ дополняющего переключательному типа электропроводности. Такое

Повышение плотности компоновки или увеличение числа схемных элементов, размещаемых на единице площади кристалла, является одной из основных закономерностей эволюции ИМС. Этого достигают посредством уменьшения геометрических размеров и за счет функциональной интеграции.

Решение комплекса проблем — технологических, схемотехнических, физических и др.— привело к функциональной интеграции, т. е. к интеграции элемента, иначе — к использованию одного и того же участка кристалла .сля выполнения нескольких функций. С этой 1;елью совмещают пассивные элементы с базовыми или коллекторными элементами транзисторов; рабочие области диодов и транзисторов; области различных транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурами. Кроме того, функциональная интеграция предусматривает новую органи- 17.39

информации. Для функционально-интегрированных элементов характерны два признака: 1) наличие функциональной интеграции, положенной в основу интеграции элемента; 2) организация цепи питания, необходимой для подведения энергии к элементу.