Jednu z věcí, která odděluje skutečně dobré vývojáře analogových systémů od zbylých kolegů, tvoří schopnost porozumět elektronickým součástkám. Tak například, začnete číst článek od kteréhokoli uznávaného odborníka a již zanedlouho máte divný dojem, že žije v klamných představách o některých technických parametrech. Čtete dále a vidíte, že si však uvědomuje omezení dané struktury, ale také to, kam až může zajít, případně kdy dokonce překročit zveřejněné limity. Vůbec tedy nemusí překvapit, že většina takových lidí pracuje pro výrobce polovodičů. Pokud tedy chceme správně naložit s údaji z datasheetu, musíme nejprve sami pochopit, co se nám výrobce celou dobu pokouší sdělit. V následujících bodech se proto zaměříme na některé nejčastěji nepochopené stránky technické dokumentace a pokusíme se vysvětlit, co ve skutečnosti znamenají.

Absolutní maximum v otázce zatížení (Absolute Maximum Ratings)

Ve všech datasheetech nacházíme varování před překračováním absolutních maxim v otázce zatížení dané součástky (Absolute Maximum Ratings). Čtenář se pak zpravidla ještě dozvídá, že překročení doporučených provozních podmínek (Recommended Operating Conditions) může ovlivnit dlouhodobou spolehlivost. Ikdyž tyto informace bývají často opředeny právnickými formulacemi, znamenají, obecně vzato, dvě věci:

Je jen na Vás, zda budete trvat na provozování obvodu někde mezi výrobcem doporučovanými provozními podmínkami (Recommended Operating Conditions) a absolutními maximy v otázce zatížení (Absolute Maximum Ratings). Součástka přitom může pracovat docela dobře a bez rizika nežádoucího proražení, nicméně technické parametry pro tuto šedou oblast specifikovány nebyly a tak zde nemáme žádné záruky.

Překročíme – li absolutní maxima v otázce zatížení (Absolute Maximum Ratings), dojde s velkou pravděpodobností k proražení struktury. Vnutíme – li pinům nepřiměřeně velké napětí, může dojít k aktivaci zabudované ESD ochrany, která však byla navržena jen s ohledem na přechodové jevy, způsobené ESD výboji. Budeme – li tedy vyžadovat dlouhodobější vedení vysokých proudů, dojde k jejímu narušení. Jindy zase nadměrné proudy způsobí elektromigraci, která může snížit spolehlivost celého obvodu.

Doporučené provozní podmínky (Recommended Operating Conditions)

Pokud vyžadujeme spolehlivou činnost ve shodě s technickými parametry, uvedenými v datasheetu, musíme integrovaný obvod provozovat v rámci doporučených provozních podmínek (Recommended Operating Conditions).

Vlastnosti polovodičů se budou měnit s teplotou přechodu (Junction Temperature) dané součástky, což výrobcům integrovaných obvodů přidává nejednu vrásku na čele. Ačkoli většina integrovaných obvodů ustojí bez následků teploty přechodu až do 150 °C, setkáváme se často s maximální teplotou o velikosti 125 °C, tj. běžným stropem doporučeného provozního rozsahu pro teplotu přechodu.

Ztrátový výkon (Power Dissipation) je snad nejčastěji nepochopeným parametrem ze všech ostatních, uváděných v datasheetu, zejména pak v souvislosti se široce rozšířenou povrchovou montáží obvodů v poslední době. Ještě předtím, než začal rozmach technologií pro povrchovou montáž, tj. v době, kdy integrované obvody rozptylovaly většinu svého tepla prouděním, bylo pro výrobce polovodičů poměrně jednoduché odhadnout tepelný odpor přechod – okolí (Junction-to-ambient Thermal Resistance, θja) a stanovit podle toho jmenovité výkonové údaje pro danou součástku. V dnešní době se však většina integrovaných obvodů pro povrchovou montáž navrhuje tak, aby podstatnou část svého tepla rozptýlila prostřednictvím desky plošného spoje. Protože však výrobci integrovaných polovodičů neznají specifikace ani tepelné vlastnosti desky plošného spoje v koncové aplikaci, musí dělat nejrůznější předpoklady. Vůbec proto nepřekvapí, že jmenovité výkonové údaje obvodů, určených k povrchové montáži, pak zpravidla bývají stanovovány pro přesně dané rozměry plošného spoje, jeho tloušťku a také typ. Jakékoli odchylky od vlastností plošného spoje, definovaného v datasheetu, si pak vývojář musí dobře promyslet.

Tabulky s parametry (Parameter Tables)

Ačkoli může být v datasheetu stanoven široký rozsah provozních napětí, pro definování tabulky s parametry se většinou použije pouze jedna nebo dvě hodnoty. Pojďme proto nyní nahlédnout pod pokličku kontroly pracovních podmínek, které výrobce integrovaného obvodu zvolil (viz obr. 1). Pomůže nám to za (a) lépe posoudit, jak blízko se nachází vůči provozním poměrům v naší aplikaci a za (b) lépe porozumět rozdílům mezi podobnými součástkami od několika různých výrobců.

Obr. 1: Typická ukázka tabulky s parametry, které nalezneme v datasheetu

Obecně platí, že minimální a také maximální hodnoty z tabulky parametrů budou odpovídat celému rozsahu pracovních teplot dané součástky, zatímco typické úrovně mohou platit jen při pokojové teplotě. Jak jsme již dříve zmínili, výrobci integrovaných obvodů musí stanovit určité předpoklady, pokud jde o vztah mezi teplotou přechodu integrovaného obvodu a okolní teplotou pro danou aplikaci. Budou – li pak elektrické charakteristiky, uvedené v datasheetu, specifikovány pro konkrétní rozsah okolních teplot, zváží výrobce integrovaného obvodu nejhorší možnou situaci v otázce rozdílu mezi teplotou okolí a teplotou přechodu. Může se tak např. stát, že okolní teplotě +85 °C bude odpovídat maximální teplota přechodu +125 °C.

Někdy se však v datasheetech setkáváme jen s typickými hodnotami, tj. žádná minima ani maxima. Může to být z několika důvodů:

• Parametr se pro typické aplikace nejeví jako kritický a proto se i z cenových důvodů plně netestuje.
• Parametr pomáhají definovat vnější součástky, jejichž technické vlastnosti leží mimo pole působnosti výrobce integrovaného obvodu.
• Zahrneme – li do dokumentace jen typické hodnoty, můžeme u zákazníka vzbudit lepší dojem z dosahovaných technických parametrů (je to sice “nezbedné”, ale čas od času se to stává).

Solidní datasheet nikdy nezamlčí testovací podmínky, při kterých dosáhl údajů v tabulce s parametry. Je to ostatně i nezbytné, chceme – li porovnat podobné obvody od několika různých výrobců. Máme – li totiž co do činění s dosti odlišnými testovacími podmínkami, nebude možné provádět přímé srovnání.

V některých případech se stává, že daný parametr bude záměrně změřen s nižší přesností, jen aby se ušetřily náklady na testování. Precizní měřidla totiž vyžadují delší doby ustálení (Settling Time) a čas, jak je známo, jsou peníze. Pro některé z parametrů se navíc další náklady na testování nedají ani dost dobře zdůvodnit. Měříme – li tedy vstupní klidové proudy vysoce precizního operačního zesilovače s přesností na jednotky pA, pravděpodobně si takové rozhodnutí i obhájíme, protože se jedná o klíčový parametr, který bude potenciální zákazníky rozhodně zajímat. Při testování vstupního proudu u enablovacího pinu DC/DC měniče zase bohatě vystačíme s přesností v řádu jednotek μA a to dokonce i v případě, že budou vstupní proudy mnohem nižší.

Jak přesné jsou údaje v datasheetu?

Datasheety jsou obvykle velmi přesné. Z ekonomických důvodů totiž není v zájmu výrobce integrovaného obvodu, aby zveřejnil údaje, které neumí zaručit. Přesto se ve vzácných případech stává, že součástky jednoduše nesplňují slibovaná technická kritéria a my pak máme právo na jejich výměnu nebo vrácení peněz. Je však mnohem pravděpodobnější, že jsme jen jinak pochopili to, co výrobce integrovaného obvodu v otázce daného parametru původně zamýšlel.

Minimální i maximální hodnoty zaručují všichni seriózní výrobci integrovaných obvodů. Měly by mít své místo u všech parametrů, kritických pro daný návrh. Typické údaje přitom zaručovány nebývají, ale dá se statisticky dokázat, že většina ze souboru technických vlastností integrovaného obvodu bude ležet poblíž své typické hodnoty. Jak těsně to bude, závisí na výrobci, integrovaném obvodu a také zvoleném parametru. Pokud ale pochopíme pozadí vzniku konečné specifikace, nebude problémem učinit dostatečně kvalifikovaný odhad.

Aby bylo dosaženo ziskové výroby, musí výrobci integrovaných obvodů zajistit, že většina součástek, založených na křemíkovém waferu, splní požadovanou specifikaci bez potřeby vyřazení a následné finanční ztráty. Plánovaná výtěžnost se přitom obvykle pohybuje v horních devadesáti procentech rozsahu. Uvážíme – li však, že pro vyhození celého čipu stačí jen jediný parametr mimo rozsah, začneme následně oceňovat nezbytnou a také velmi přísnou kontrolu každé individuální specifikace. Aby si tedy výrobce zajistil odpovídající výtěžnost, nastaví zpravidla své minimální i maximální limity pro většinu parametrů pomocí hodnot šest – sigma. V praxi to pak znamená, že součástky, opouštějící výrobní závod, vykazují rozptyl svých parametrů dle obr. 2. Vezmeme – li tyto výsledky v úvahu, můžeme jako vývojáři odhadnout, jak hodně a také s jakou pravděpodobností se dá přiblížit k typické úrovni, případně zda se z ekonomického hlediska ještě vyplatí vybírat z běžné várky ty “dobré” obvody. (Pozn.: V některých případech dochází během závěrečného testování na výrobní lince k tzv. trimování, tj. dostavení parametrů. V takovém případě hovoříme v souvislosti s oblastí mezi předepsanými minimálními a maximálními úrovněmi o pravoúhlém rozptylu nebo také plochém rozdělení (Flat Distribution). Pokud mám za sebe zvolit typické pole působnosti pro trimování, zmíním např. napěťové reference typu bandgap nebo proudová omezení spínaných měničů.)

Obr. 2: Šest – sigma, aneb rozptyl parametrů

Jindy se v datasheetech dokonce setkáváme i s distribuční křivkou (Frequency Curve, příp. také křivka četnosti) klíčových parametrů. Jedná se o ještě lepší řešení, protože nedává takový prostor dohadům a dovoluje přímo nahlížet do statistických ukazatelů daného prvku. Na obr. 3 vidíme příklad grafického znázornění četnosti zkoumaného parametru u operačního zesilovače OPA2342 od Texas Instruments, přesně jak je zachycena v jeho datasheetu.

Obr. 3: Grafické znázornění četnosti zkoumaného parametru má v datasheetu své čestné místo

Závěr:

K neodmyslitelné součásti kvalitního obvodového návrhu patří porozumění toho, co se v datasheetu doopravdy chtělo říci. Vyhraďte si proto čas na jeho přečtení a v žádném případě nepřehlížejte texty psané malým písmem. Pokud se vyskytnou nějaké nejasnosti či nejednoznačné údaje, vyjasněte si vše potřebné přímo s výrobcem integrovaného obvodu. Můžete tak svému zaměstnavateli ušetřit spoustu ztraceného času i peněz a co více, udržet si svou práci i do budoucna!

Pozn. překl.: I přes veškerou snahu se v technické dokumentaci občas setkáváme s chybami. Ty primitivní dokážeme odhalit rychle, např. vylučovací metodou. Na některé však již stačit nemusíme a pokud k tomu mlčí i bohatě používané aplikační poznámky, nezbývá než poslat e-mail s konkrétními dotazy. Solidní výrobci polovodičů si zpětné vazby, ať již bude kladná nebo záporná, váží, což dokládají stále nové a nové verze nejedné technické dokumentace, datasheety nevyjímaje. A to, že někdy bývají naše vyjádření v cizím jazyce poněkud kostrbatá, na to se zde příliš nehledí. Z vlastních zkušeností mohu jen potvrdit, že přístup aplikačních inženýrů předních světových výrobců polovodičů bývá na velmi vysoké, profesionální úrovni. V tomto ohledu se ještě můžeme mnohému naučit, ikdyž i u nás doma existují fantastičtí lidé, poskytující technickou podporu, jen si o ni někdy musíme opakovaně říkat. S úctou vzpomínám na řešení zapeklitého problému s vývojovým kitem pro jistý signálový procesor společnosti Freescale. Formuloval jsem tehdy dotaz a během několika hodin byla zpět naprosto přesná a vyčerpávající odpověď. Pak jsem se podíval ještě do přílohy a našel tam narychlo pořízenou fotku celého boardu a vše ještě jednou i se šipkami, číslováním a popisky. Prostě lidé na svém místě!