正达电路板故障检测仪系列论文】


第三状态

——正达原创TST方案在器件功能测试中的开创性应用



摘要:【正达电路板故障检测仪系列论文】早期电路板故障检测仪器件功能测试的测试结果只存在两种状态:1.能够通过功能测试(器件基本功能正确)。2.不能通过功能测试(器件基本功能故障)。第三代ZD9610测试仪引入能够通过测试的最高测试频率这个判断条件。器件功能测试结果中出现第三状态(Third state).并且形成基于第三状态的测试方案。英文简称:TST(Third State Test).原创第三状态TST方案在电路板精细化维修和元器件综合性筛选中发挥出了重要作用。


关键词:第三状态 TST方案 2000kHz测试频率 动态性能


0.前言

    北京正达时代电子技术有限公司在电路板维修和元器件筛选领域深耕20余年,主要团队成员在这一领域从业近30年。作为著名的检测仪器厂商,作为著名的电路板维修中心,正达最了解其中的应用难题,着力提供更加富有针对性的解决方案。

    历经几十年的积累发展,依托强大技术实力和丰富的实践经验,正达创造性地提出“器件功能测试结果第三状态”(全文简称:第三状态)概念并加以科学验证,开创出多种原创性的器件测试形式,在电路板精细化维修和元器件综合性筛选中发挥出重要作用,展示出正达原创方案的卓越力量。


1.第三状态的概念提出

    早期电路测试仪的测试频率很低,一般在50kHz以下,改变测试频率对数字器件功能测试结果不会产生任何影响。数字器件功能测试结果只存在两种状态:

    1.能够通过功能测试(器件基本功能正确)。

    2.不能通过功能测试(器件基本功能故障)。

    如果大幅度提高数字器件功能测试的测试频率,器件是否依然能够通过功能测试,输出正确的测试结果?

    第三代ZD9610测试仪将数字器件功能测试频率大幅度提高到2000kHz.其精巧的硬件测试系统设计表现为:用2000kHz测试频率可以对工作频率多达几十MHz数字器件的动态性能进行测试。大量实测也证实:虽然数字器件在《器件手册》中给出的工作频率多在几十MHz左右,但是绝大部分数字器件所能通过功能测试的最高测试频率都低于2000kHz.有些类型数字器件测试频率只有几百kHz.只有降低测试频率,有些类型数字器件甚至要大幅度降低测试频率,才能够通过功能测试。

    这样就出现了第三状态(Third state).第三状态是指:在某个特定测试频率之上,基本功能正确的器件无法通过功能测试,而在此测试频率及以下却能够通过功能测试的状态。

    新型正达测试仪数字器件功能测试结果的三种状态:

    1.不能通过功能测试(在某测试频率之上/器件基本功能正确)。

    2.能够通过功能测试(在某测试频率之下/器件基本功能正确)。

    3.始终不能通过功能测试(所有测试频率/器件基本功能故障)。


2.第三状态的效果验证

    第三状态的效果验证,选取器件种类多,时间周期跨度长。从第三代ZD9610测试仪试验样机算起至今,对数百种类型数字器件/模拟器件做过验证,未曾间断。验证结论明确,经得起反复验证。第三状态就像是器件内在标签一样,标定这个器件的个体属性。


2.1数字器件验证

    第三代ZD9610测试仪对数字器件做过大量科学验证。验证是在相同条件下进行。例如:所有测试始终采用同一条测试电缆、同一个测试插座。对相同功能的数字器件采用同一个测试程序,施加的测试信号完全相同。仅仅是改变测试频率。

    以下几种相同功能数字器件的第三状态不同。对比《器件手册》中给出的工作频率,发现存在明确的对应关系。即:数字器件的工作频率越高,其所能通过功能测试的最高测试频率也越高。

    CD4050BCN     (仙童公司) 1000kHz,     CD4050BE(TI公司)500kHz;

    74HC4066N  (Philips公司) 2000kHz,     CD4066BE(TI公司)500kHz;

    MC74HC4538(Motorola公司) 1800kHz,    CD14538BE(TI公司)500kHz;

    其中:第一个CD4050这个验证实例最为典型。两个器件型号完全一样,功能完全一样,外观封装完全一样,只是生产厂家不同。见图1.对比《器件手册》中给出的工作频率,仙童公司CD4050的工作频率要明显高于TI公司的CD4050,和两者的第三状态相符。


图1    两个厂家同型号CD4050器件动态性能测试差异明显


    不同功能器件的测试程序完全不同,因此比较第三状态没有意义。例如:CD4050BCN和74HC4066N功能不同,测试程序也不相同,所以两者之间比较第三状态没有意义。


2.2模拟器件验证

    在对数字器件取得大量验证结论的基础上,第三代ZD9610测试仪继续尝试在模拟器件中验证第三状态。首先实施的是模拟多路复用器功能测试。

    以下两种相同功能的模拟多路复用器的第三状态不同。对比《器件手册》中给出的工作频率,发现也存在明确的对应关系。即:模拟多路复用器的工作频率越高,其所能通过功能测试的最高测试频率也越高。

    ADG506AKN    (ADI公司)1800kHz,     AD7506JN    (ADI公司)500kHz;

    ADG506AKN和AD7506JN这两种模拟多路复用器功能相同,外观封装完全一样。见图2.对比《器件手册》中给出的工作频率,ADG506AKN的工作频率要明显高于AD7506JN,和两者的第三状态相符。


图2     ADG506AKN和AD7506JN这两种模拟多路复用器动态性能测试差异明显


    数字电路可以看做模拟电路的一种特例。比如:在模拟电路中采用晶体管的线性工作区,而在数字电路中采用晶体管的非线性工作区。因此,模拟器件和数字器件存在一些测试方法的共通性。


3.第三状态的现实意义

    评价集成电路性能的三个重要指标:1.速度(延迟/工作频率),2.功耗,3.功能性和可靠性。其中:速度是动态性能的一个指标,也最能反映集成电路的综合性能。见图3.


图3   速度(延迟/工作频率)最能反映集成电路的综合性能


    集成电路工作速度下降,是器件综合性能下降的集中体现。各种器件参数故障都会表现为集成电路工作速度下降。包括:器件单纯性的工作速度下降,器件其它参数故障引起的工作速度下降等。

    第三状态的验证表明:器件对高频测试信号的正确响应能力与自身工作频率相对应。即:器件工作频率越高,速度越快,所能通过功能测试的测试频率也越高。因此,第三状态的出现能够反映出器件的实际工作速度情况。相同功能型号的器件,如果能够通过功能测试的测试频率越高,则其速度越快,其性能越好。反之,能够通过功能测试的测试频率越低,则其速度越慢,其性能也就越差。

    器件逻辑功能测试一般称为功能测试或者静态测试。对器件速度/时间特性测试一般称为性能测试或者动态测试。第三状态就属于后者这个范畴。

    基于第三状态的特点,现已形成独立的测试形式。英文简称:TST(Third State Test).成为简单有效的疑难故障解决方案。

    应用第三状态TST方案,能够测试器件对高频测试信号的正确响应能力,测试器件动态性能。区分器件工作速度,区分器件动态性能差异。

    应用第三状态TST方案,器件过去不为人知的一面呈现出来,使电路板精细化维修和元器件综合性筛选成为一种可能。


4.第三状态的多样应用


4.1告别电路板粗放式维修

    早期电路测试仪由于测试频率很低,不存在第三状态。对于综合性能下降、而又没有丧失基本功能的器件不具备精确测试能力。在低频测试环境下,动态性能不佳的器件也可以通过功能测试,无法反映出不同器件之间的动态性能差异。VI曲线测试不属于功能测试,与器件频率特性无关,也不具备精确测试能力。

    第三代ZD9610测试仪应用第三状态TST方案,能够测试器件的综合性能。单纯的工作速度下降和器件其它参数故障引起的工作速度下降等都会通过第三状态反映出来,从而开展电路板精细化维修。

    在实际维修中经常遇到动态性能大幅下降的数字器件。曾经在线测试一片SN74LS244N,测试频率明显异常。拆下来进行离线功能测试,其能够通过功能测试的最高测试频率仅为800kHz.即:第三状态出现在800kHz以上。而全新SN74LS244N的第三状态出现在1800kHz以上。测试这片SN74LS244N的VI曲线,丝毫看不出问题。

    对于电路板维修层面来说,即使开展精细化维修,也不必深究这片SN74LS244N具体是哪一个或者哪几个参数下降引起的问题。因为这片SN74LS244N速度下降如此之大就已经足够说明问题。


4.2对元器件综合性能筛选

    若将某个性能完好器件的第三状态作为标准,就可以严格筛选该类器件。进而开展元器件综合性能筛选工作。

    例如之前的例子:仙童公司CD4050的第三状态出现在1000kHz以上,倘若有50片仙童公司CD4050器件,其中48片符合标准,而有2片第三状态出现在1000kHz以下,则这2片CD4050器件的动态性能下降,不能应用在重要场合。


4.3甄别翻新器件

    大量过期报废的电子产品未被销毁,将上面的器件拆卸、翻新、再流入市场,已经形成了一个巨大产业链。翻新器件多数功能正常,器件管脚阻抗特性无变化。因此无法通过VI曲线测试发现。但翻新数字器件的综合性能会下降,动态性能不佳。应用第三状态,能够甄别翻新器件。

    测试实例:DM74LS154N是24管脚4-16线译码器,曾经广泛应用,现已停产多年。见图4.目前在市场上出售的几乎全是翻新器件。正达公司曾采用过这种器件,尚有一些新品库存,很有发言权。单从外观上看,翻新DM74LS154N外形/型号/厂家/标识与全新器件完全相同,很难甄别。采用VI曲线进行新旧器件对比测试,看不出丝毫差异。


图4    DM74LS154N(24管脚4-16线译码器)翻新器件识别


    应用第三状态TST方案,全新DM74LS154N的第三状态出现在1800kHz以上,翻新DM74LS154N第三状态出现在1500kHz以下,区别明显。翻新DM74LS154N无法在1800kHz测试频率时通过功能测试。见图5.


图5   翻新 DM74LS154N工作速度明显下降


    说明:在测试波形图中,黑色波形为施加的1800kHz测试信号,绿色波形为翻新DM74LS154N实测输出信号(绿色虚框为介于高/低电平之间的状态),红色波形为全新DM74LS154N在1800kHz测试信号下事先建立的标准输出。从测试波形图中可以看出,翻新器件的速度明显慢于全新器件。

    如果设备必须要用到DM74LS154N器件,应用第三状态TST方案,能够甄别DM74LS154N器件的新旧性质。即便只能买到翻新器件,亦可劣中选优。

    倘若仅仅只是在低频测试环境下进行器件功能测试,例如:测试频率10kHz,全新和翻新DM74LS154N器件必然都能够通过功能测试,不会出现第三状态。采用VI曲线测试也不会发现任何差异,因此也就无法甄别DM74LS154N器件的新旧性质。


4.4识别器件厂家

    正达测试仪可以对标识不清或被人为故意涂抹掉标识的数字器件逆向循环测试,实现数字器件型号识别。这项功能通过数字器件逻辑关系进行识别,凡是符合该逻辑关系的数字器件全都被罗列出来。例如:7404,7414,7416等,都是14管脚6反相器,封装外观/管脚排列/逻辑功能全相同,在识别7404时,不但能识别出7404,同时7414,7416等器件型号也会被识别出来。

    逻辑关系相同的数字器件通常不止一个。即使是不同厂家生产的同型号器件,性能上也会存在一些不同。被识别器件究竟具体属于哪个厂家或者哪种型号呢?

    应用第三状态TST方案,这些问题会变得比较明晰。

    例如:对一个双列直插封装16管脚数字器件型号识别。识别结果:4050.  

    前文提到,仙童公司CD4050的工作速度要明显高于TI公司CD4050,对比第三状态,如果识别出的这个4050第三状态出现在1000kHz以上,而非500kHz以上,必然是仙童公司出产的CD4050.

    如果识别出的4050第三状态出现在1800kHz以上会是什么厂家呢?是ST公司M74HC4050B1.第三状态这个器件内在标签,精确标定出器件的个体属性。


4.5识别具体型号

    再如:对一个双列直插封装16管脚数字器件型号识别。识别结果:744538,14538,4538.

    我们知道:不同型号/相同功能的数字器件也会存在动态性能差异。对比第三状态,74HC4538是1800kHz,CD14538是500kHz,这同样提供了一个重要测试依据。

    如果识别出的这个4538第三状态出现在1800kHz以上,必然是74HC4538,而不会是CD14538或者CD4538.

    推而广之,模拟器件型号识别也可以应用第三状态TST方案。


5.第三状态的未来前景

    第三状态TST方案,除了应用于中/小规模数字器件功能测试之外,还应用于:对大于40管脚数字器件功能测试,大规模LSI集成电路测试,DRAM/SRAM存储器完全测试等。

    对于模拟器件而言,除了应用于模拟多路复用器功能测试之外,第三状态TST方案已经在光耦器件测试中进行了验证,很快就会全面应用于光耦测试中。过去有些用户反映采用各种方式测试,光耦都是好的,可光耦就是不能用。原因就在于光耦动态性能下降。大量验证表明:第三状态TST方案将会彻底解决光耦测试中的这个难题。

    未来,第三状态TST方案还将应用于模拟开关器件测试、电压比较器测试等模拟测试中,对这些对频率特性要求很高的模拟器件也提供一种有效的解决路径。


6.结语

    从创造性的概念提出,到开创性的多样应用,第三状态TST方案在电路板精细化维修和元器件综合性筛选中发挥出重要作用。这是正达原创TST方案在器件功能测试中的力量展示。

2018年04月28日

※正达集成电路失效性分析:[图说]对大于40管脚数字器件功能测试
※正达在线电路维修测试仪:【国内外业界首创】5cVI曲线鹰爪5线测试法

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