МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены вероятностные характеристики надежности переходных состояний полупроводникового преобразователя при совместной работе с интегральными микросхемами. Установлена вероятность эффективного перехода интегральной схемы, функционирующая с полупроводниковым преобразователем, из состояния логического нуля в состояние логической единицы и получены соответствующие вероятностные уравнения при достаточной длительности сигнала и паузы.

ABSTRACT

The probabilistic characteristics of the reliability of transient states of a semiconductor converter when working together with integrated circuits are considered. The probability of an effective transition of an integrated circuit operating with a semiconductor converter from a state of logical zero to a state of logical one has been established, and the corresponding probability equations have been obtained for sufficient signal and pause durations.

Ключевые слова: надежность, переходные состояния, полупроводниковый преобразователь, логическая единица, эффективная зона, вероятность перехода.

Keywords: reliability, transient states, semiconductor converter, logical unit, effective zone, transition probability.

Введение в период эксплуатации информационно-измерительных устройств и систем происходят отказы, которые могут быть внезапными и постепенными. Внезапные отказы относятся к категории случайных событий. Физическая природа внезапных отказов обусловлена концентрацией нагрузок, вызывающих соответствующие внутренние повреждения в виде обрыва или короткого замыкания обмоток, поломки деталей и другие.

Отказ любого элемента и информационного устройства, в частности, измерительного преобразователя физических величин, может быть определён действием следующих факторов: структурными несовершенствами исходных материалов изделия, обусловленными наличием примесей, дислокаций и градиентов концентраций; внешними воздействиями – тепловых механических и электрических нагрузок [1, c. 35, 2, c.6].

Отказы информационных устройств и систем является событиями случайными. Однако причины, обуславливающие появление отказа, связаны с определенными физическими и физико-химическими процессами, протекающими в материалах и конструкции в период эксплуатации. Выбор подхода к определению надежности методами физики отказа обусловлен предположением, что химические реакции и физические процессы, протекающие на поверхности и внутри измерительного устройства, вызывают ухудшение его электрофизических характеристик и, как следствие, катастрофические и параметрические отказы.

Результаты исследований и обсуждение

Рассмотрим вероятностные характеристики надежности переходных состояний полупроводникового преобразователя влажности дисперсных сред при совместном функционировании интегральными микросхемами. 

Надежность интегральных измерительных схем полупроводниковых преобразователей физических величин в отношении отсутствия параметрических отказов определяется из величины запаса функциональной (статической и динамической) устойчивости. Под статической устойчивостью понимают передачу сигналов логическими схемами, при которой не происходит не предусмотренного логическими функциями перехода единичных сигналов в нулевые и нулевых в единичны [3, c. 16].

Под динамической устойчивостью передачи сигналов логическими элементами следует понимать сохранение достаточной длительности сигнала и достаточной длительности пауза для обеспечения перехода из состояния логического нуля в состояние логической единицы и обратно. Для функционально устойчивых логических элементов характерны два устойчивых участка (рис.1). 

Рисунок 1. Устойчивые зоны перехода логического элемента полупроводникового преобразователя

Если через точки А, В, С и D провести прямые, параллельные оси ординат, то получим граничные прямые, характеризующие зоны устойчивой работы логического элемента, которая связана с эффективным переходом электронов из валентной зоны к зоне проводимости в полупроводнике, функционирующий в качестве преобразователя. Для входного сигнала в зоне I характерно устойчивое начальное значение, а для зоны III – устойчивое рабочее состояние.

Для зоны I

,                                                        (1)

где  – возможные колебания значения входного сигнала; – смешение входного сигнала вследствие помех; – смешение входного сигнала полупроводникового преобразователя вследствие влияния температуры.

Для зоны II

                                                    (2)

где   – смешение характеристики, вызванное изменением температуры; – среднее квадратичное отклонение значений, отвечающих данному участку характеристики. Его можно определить из соотношения  

При современной технологии 

Для зоны III

                                                             (3)

В качестве важнейших статических параметров приведем четыре значения напряжений. Четыре значения напряжений задают границы отображения переменных (0 и 1) на выходе и входе элемента. Для нормальной работы элемента требуется, чтобы напряжение, отображающее логическую единицу, было достаточно высоким, а напряжение, отображающее 0, - достаточно низким. Эти требования задаются параметрами  и . Входные напряжение логического элемента есть выходные напряжения предыдущего (источника сигналов). Уровни, гарантируемые на выходе логического элемента при соблюдении допустимых нагрузочных условий, задаются параметрами  и . Выходные уровни несколько лучше входных, что обеспечивает определенную помехоустойчивость элемента. Для уровня , опасны отрицательные помехи, снижающие его, причем допустимая статическая помеха [4, c. 15.]

.

Для уровня опасны положительные помехи, причем допустимая статическая помеха 

.

Для выполнения устойчивой передачи сигналов через логический элемент измерительного преобразователя необходимо выполнить условие не наложения полос I и III с разбросом и  на полосу II, то есть устойчивость работы логической схемы характеризуется величиной запаса устойчивости для входного напряжения уровня “0”:

,                                          (4)

и для входного напряжения уровня “1”:

,

где  - величины входных напряжений уровня “0” и “1” соответственно;

 максимально разрешенный входной путевой уровень сигнала, при котором схема еще находится в состоянии логической единицы [5, c. 643].

Таким образом, величины запаса устойчивости интегральных схем с учетом разброса параметров определяется для уровня “0”:

                                (5)

и для входного напряжения уровня “1”

.                          (6)

Величины  является независимыми случайными событиями и их функции плотности распределения можно представить на общей оси абсциссе виде четырех нормализованных кривых или, воспользовавшись правилам композиции, можно получить две нормализованные кривые (рис.2).

Рисунок 2. Устойчивые зоны перехода из состояния логического нуля в состоянии логической единицы функционально логических элементов

Вероятность эффективного перехода интегральной схемы полупроводникового преобразователя из состояния логического нуля в состоянии логической единицы при подаче на вход сигнала  и выполнении условия  определяется выражением:

 ,                   (7)

где  среднее квадратичное отклонение; – среднее квадратичное отклонение величины ; - математическое ожидание величины .

Выражая интеграл через функцию Лапласа и переходя к другим переделам интегрирования, получим

.                                    (8)

Аналогично вероятность правильного срабатывания схемы при подаче на вход напряжения  , характеризующего переход элемента из состояния логической единицы в состояние логического нуля и выполнение условие , определяется выражением

           (9)

или

,                                   (10)

где - среднее квадратичное отклонение, причем - среднее квадратичное отклонение величины ; - математическое ожидание величины .

Произведем оценку параметрической надежности при динамической устойчивости логической интегральной схемы измерительного преобразователя. Длительность рабочего сигнала выбирается на основании минимальной его длительности, необходимой для надежного срабатывания схемы:

,                                        (11)

где k – коэффициент срабатывания

Величина уменьшения длительности сигнала  при его прохождении через  схему определяется как

где  и  - длительности импульса на  и () элементах соответственно.

Величина уменьшения длительности пауза  при прохождении сигнала через  элемент определяется как

где  и - длительности пауз () и  схем соответственно.

Схема будет обладать динамической устойчивости, если выполняется условие

где  - математическое ожидание длительности паузы; - математическое ожидание величины .

С учетом (12) вероятности правильного срабатывания – схемы при достаточной длительности сигнала и паузы определяются соответственно выражениями:

                        (13)

или                                    (14)

                         (15)

или .                        (16)

Заключение. Таким образом, из уравнения (14) и (16) видно, что вероятность срабатывания интегральной схемы, функционирующая совместно с полупроводниковым преобразователем зависеть от значения функции F(х), так как с увеличением ее значение возрастает вероятность срабатывания интегральной схемы, поскольку при этом этот процесс сопровождается при достаточной длительности сигнала и паузы с одинаковой среднеквадратической погрешности перехода. Следовательно, с увеличением среднеквадратической погрешности перехода существенно снижается вероятность срабатывания интегральной схемы, которая работает с полупроводниковым преобразователем, что характеризуется переходом электронов с минимальной вероятностью из валентной зоны в зону проводимости.   

Список литературы

1. Бородакий Ю.В., Крыцина Н.А. Вероятностно-статистические методы обработки данных в информационных системах.-М.:Радио и связь, 2003.-272 с. 
2. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники.-М.: Высшая школа, 2004.-186 с.
3. Raxmanov A.T. Reliabitity estimation of probe multifunctional converters of disperse parametrs circumstances. Fifth Word Conference on Jntellident Sustems for Industrial, Automation.– 2008.- Р.199.
4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СБб.: БХВ – Петербург, 2004.–528с.
5. Masharipov, S.M., Azimov, R.K. Multifunctional Information and Measuring Complex for Controlling the Parameters of Fibrous Materials and Dispersed Media Measurement Techniquesthis link is disabled, 2017, 60(6), с. 643–646