Data sheet — что это за документ и как правильно им пользоваться

20.07.2023 |

Data sheet – это документ, близкий по своему на- значению к техническому описанию (ТО) на интегральную микросхему (ИМС), которое было частью эксплуатационной документации, сопровождавшей изделия электронной промышленности в СССР. По- этому в дальнейшем вместо термина data sheet мы будем использовать термин «техническое описание» или ТО. Отметим только, что современный data sheet, кроме технических характеристик и описания работы, может содержать типовые примеры применения ИМС, особенности тестирования и другие сведения, которые ранее не включались в ТО, а содержались, например, в технических условиях или других документах эксплуатационной документации.

Еще одной отличительной особенностью современных ТО на ИМС мировых производителей является то, что до настоящего времени отсутствуют строгие требования написания таких документов, причем за последние несколько лет в связи с ростом интеграции и сложности ИМС объем ТО существенно увеличился и в настоящее время может достигать ста и более страниц.

Если учесть, что сроки разработки новых изделий постоянно сокращаются, то у разработчиков таких изделий практически не остается времени на детальное изучение ТО на современные ИМС. В то же время, первая страница каждого такого ТО содержит наиболее «привлекательные» (рекламные) параметры ИМС. Она включает сведения об особенностях и возможностях применения ИМС, принципе работы, назначении выводов, типе корпуса и т.п. Иногда на первой странице помещают максимальные, минимальные и типовые значения параметров. Отметим, что, несмотря на высокую информативность первой страницы ТО, не следует ограничиваться ее изучением при выборе той или иной ИМС.

Остановимся более подробно на содержании первой страницы ТО. В разделе о возможностях и особенностях ИМС могут содержаться сведения о rail-to-rail функциях, наличии экономичных режимов и т.п. Очевидно, что при использовании ИМС к ней могут быть предъявлены требования, которые не предусматривались ее разработчиками. Неправильно понятый термин может привести к ошибкам при проектировании новых изделий. Разработчик ИМС может и не догадываться о том, каким образом будет использована его микросхема. Разработчика изделия может, например, не интересовать наличие функции разрешения в ИМС, но ему требуется наличие функции блокировки работы ИМС при сбоях или нарушениях условий эксплуатации.

Раздел, в котором содержатся сведения о принципе работы, дополняет предыдущий раздел и может дать разработчику изделия необходимые сведения для принятия «быстрого» решения о применении ИМС. В этом разделе может содержаться информация об устойчивости ОУ при единичном усилении, допустимых параметрах при съеме сигналов максимальной мощности, сведения о дополнительных функциях выводов и т.п.

Как было отмечено выше, первая страница ТО может включать сведения о применении, в том числе и некоторые частные случаи использования ИМС.

В графическом изображении функциональной схемы ИМС используются специальные обозначения (как, например, треугольник для обозначения ОУ) с указанием назначения выводов. Отметим, что названия одних и тех же выводов на функциональной схеме и в тексте ТО могут не совпадать. Так, например, на первой станице ТО вывод ИМС может иметь наименование «plus input» (+Вх.), а в тексте ТО тот же вывод называется «noinverting input» (неинвертирующий вход).

Еще одним источником проблем, с которыми сталкиваются разработчики, анализирующие текст ТО, являются таблицы предельных режимов эксплуатации ИМС. При выходе за эти пределы параметры ИМС, приведенные в ТО, не гарантируются. Если в изделии невозможно обеспечить указанные режимы эксплуатации ИМС, необходимо применять специальные меры их защиты. Как правило, в ТО нормируется несколько диапазонов температуры. Это диапазон рабочих температур (operating temperature), в котором сохраняется работоспособность ИМС. Разработчика не должно смущать отличие диапазона рабочих температур от того, при котором в спецификации могут быть приведены технические параметры ИМС. Это говорит лишь о том, что в диапазоне рабочих температур приведенные в спецификации параметры не всегда гарантируются. В таблице, например, может быть указана максимально допустимая температура p-n- перехода (junction temperature), т.е. температура, при которой кристалл еще сохраняет работоспособность.

Однако, если максимальная рабочая температура ИМС составляет, например, 150 °С и максимальная температура p-n-перехода этой ИМС имеет ту же температуру, то отобрать сигнал от данной ИМС при максимальной температуре не представляется возможным, т.к. это приводит к увеличению мощности рассеяния на кристалле, а значит и к дополнительному увеличению температуры p-n-перехода и, как следствие, к отказу ИМС. Еще одним диапазоном температур, который нормируется в ТО, является диапазон температур хранения ИМС, при выходе за пределы которого параметры ИМС также не гарантируются.

Рис. 1. Фрагменты типовых таблиц электрических параметров ОУ

 В каждом ТО содержится предупреждение о необходимости защиты ИМС от электростатического электричества (ESD warning). Некоторые разработчики, используя биполярные ИМС, пренебрегают этим предупреждением, считая, что такие ИМС устойчивы к воздействию электростатических зарядов. Отметим, что, если величина электростатического заряда составляет 800 В и более, переход эмиттер-база биполярного транзистора может быть разрушен. Поэтому, работая как с биполярными, так и CMOS ИМС, необходимо применять специальные средства защиты от электростатического электричества. Особое внимание следует обратить на электрические параметры ИМС, которые представлены в таблицах ТО. Фрагменты таких таблиц (table 1, table 2) приведены на рис. 1. Параметры, указанные в этих таблицах, получены при определенных значениях температуры и напряжения пита- ния. Тестирование ИМС, как правило, осуществляется при температуре окружающего воздуха 25 °С, однако при тестировании мощных ИМС может быть указана еще и температура корпуса.

В таблицах электрических параметров содержится следующая информация: обозначение и наименование параметра, условия испытаний, диапазон температур (если он не указан в графе условий испытания), числовые значения параметров и единицы измерения. Колонка «обозначение и наименование параметров» может содержать как бук- венное обозначение, так и наименование конкретного параметра. Например, в таблицах table 1, table 2 (рис. 1) входное напряжение смещения нуля имеет наименование «input offset voltage» и обозначение VIO (VOS). Разработчикам было бы значительно проще, если бы обозначения и наименования параметров ИМС были стандартизированы. Однако, в связи с отсутствием таких стандартов на термины и обозначения идентификация параметров ИМС разных производителей может вызвать определенные трудности. Иногда в пределах конкретного ТО могут встречаться разные обозначения одного и того же параметра. В этом случае рекомендуется обращаться за консультацией непосредственно в отделение фирмы-производителя, ответственное за применение данной ИМС.

Особое внимание при изучении таблиц с электрическими параметрами ИМС следует обращать на условия испытания. Эти условия могут регламентировать температуру, если она не приведена в специальном разделе ТО. Кроме того, условия испытания могут регламентировать величину напряжения питания, сопротивление источника сигнала и нагрузки, частоту тестового сигнала, значение синфазного напряжения, коэффициент усиления разомкнутого ОУ и т.п.

Данные, приведенные в таблицах, не всегда совпадают с теми, которые указаны на первой странице ТО. Например, на первой странице указано, что разрядность АЦП составляет 16 бит, а в таблице с электрическими параметрами для данного АЦП приведена разрядность 14 бит. Это говорит о том, что первая страница ТО содержит информацию в большей степени рекламного характера, а гарантируемые фирмой-производителем параметры нужно искать в соответствующих таблицах ТО. То же самое относится и к условиям испытания. На первой странице ТО они имеют одни характеристики, а в таблицах с электрическими параметрами могут иметь другие.

Если в колонке «условия эксплуатации» отсутствуют данные о температуре, в таблице электрических параметров содержится отдельная колонка с температурными режимами. В этой колонке обычно указана температура 25 °С, полный диапазон температур (full range) и числовые значения температурного диапазона. Различные классы ИМС (коммерческие, промышленные, военные) имеют разные значения полного диапазона температур. Например, для коммерческих ИМС полный диапазон температур составляет от 0 до 70 °С, для промышленных – от -40 до 125 °С. Параметры ИМС, приведенные в таблице, действительны только для указанного в ТО диапазона температур.

Следует обратить внимание на то, что иногда диапазон температур, в котором ИМС тестировалась, отличается от того, в котором ее рекомендуется применять. В этом случае диапазон температур, в котором тестировалась ИМС, является основным.

Следующие три колонки в таблицах table 1, table 2 (рис. 1) содержат минимальные (MIN), типовые (TYP) и максимальные (MAX) значения параметров ИМС.

Эти значения получены в результате испытаний и последующей статистической обработки, причем максимальные и минимальные значения определены из правила «шесть сигма», а типовые получены как средние значения.

Как видно из таблиц table 1, table 2 (рис. 1), входное напряжение смещения нуля VIO усилителя TLV278x имеет всего два значения: максимальное и типовое.

Это означает, что минимальное значение этого напряжения может быть равно нулю, поэтому в колонке MIN числовое значение данного параметра отсутствует.

Напряжение VIOMAX при температуре 25 °С равно 3000 мкВ, а в полном диапазоне температур его значение может достигать 4500 мкВ. Если полярность этого напряжения в ТО не указана, то его оценивают следующим образом: -3000≤VIO≤3000 мкВ.

В большинстве ТО не содержатся схемы включения ИМС при их тестировании. С другой стороны, их полез- но запросить у производителя ИМС, так как эти схемы могут быть с успехом использованы при разработке нового изделия. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) усилителя имеет минимальное и типовое значения (рис. 1, таблица table 1). Это говорит о том, что измерить максимальное значение КОСС усилителя практически невозможно. Часто разработчики вместо предельных используют типовые параметры, однако типовые значения редко отражают параметры реальных ИМС, т.к. они получены путем статистической обработки (усреднения) результатов испытания. Кроме того, если ИМС выпускаются продолжительное время, то за этот период могли претерпеть изменение технологический процесс, параметры маски и т.п., в то же время в ТО, как правило, сохраняются первоначальные значения типовых параметров этой ИМС.

В некоторых случаях в ТО содержатся только типовые значения параметров ИМС. Это относится, прежде всего, к быстродействующим и сверхбыстродействующим ИМС, для которых измерение максимальных значений параметров связано с ростом затрат на тестовое оборудование, что может привести к дополнительному увеличению стоимости и без того достаточно дорогих ИМС. Однако, это совсем не значит, что разработчик должен использовать типовые значения параметров вместо предельных. Ему, прежде всего, необходимо запросить эти данные у производителя ИМС. Если и в этом случае их не удается получить, то можно запросить GNT- или GBD-спецификацию.

GNT-параметры (guaranteed-but-not-tested) – это параметры, которые специально измерялись производителем ИМС с целью отбора образцов с необходимыми значениями соответствующих параметров.

GBD-параметры (guaranteed-by-design) – это параметры, которые связаны аналитической зависимостью с интересующими разработчика параметрами.

В случае отсутствия у производителя ИМС таких спецификаций необходимо запросить образцы ИМС, интересующих разработчика, из разных промышленных партий, самостоятельно выполнить их тестирование и путем статистической обработки получить пре- дельные значения отсутствующих в ТО параметров.

Последний способ менее информативен, однако полученные с его помощью значения параметров более достоверны, чем типовые, приведенные в ТО.

Графическое представление характеристик ИМС – хорошее средство их оценки в зависимости от изменения температуры, напряжения питания и других факторов. В качестве примера на рис. 2 приведены зависимости КОСС от частоты входного сигнала для ОУ TLV278x при разных значениях напряжения питания. Так, например, из рис. 2 следует, что на постоянном токе КОСС усилителя равен 80 дБ при напряжении питания 1.8 В, 110 дБ – при напряжении питания 2.7 В и 130 дБ – при напряжении питания 3.6 В. В то же время, из таблицы table 1 (рис. 1) видно, что типовое значение КОСС на постоянном токе равно 76 дБ при напряжении питания 1.8 В, 80 дБ – при напряжении питания 2.7 В и 100 дБ – при напряжении питания 3.6 В. В чем же причина отличий табличных данных от графических? Она в том, что условия тестирования, приведенные в таблице, отличаются от тех, для которых построены графики зависимости, приведенной на рис. 2. Подробный перечень условий испытания для тех же параметров приведен в table 1 (рис. 1).

Рис. 2. Пример типовых зависимостей КОСС от частоты входного сигнала усилителя TLV278x при разных напряжениях питания

В разделе применения могут быть приведены нестандартные схемы включения ИМС. Кроме того, в этом разделе могут содержаться сведения о нагрузочной способности, параметрах теплоотвода, о разводке печатной платы, рекомендации по обеспечению устойчивости, Spice-модели, описание дополнительных функций и т.п. Особое внимание в данном разделе уделяется требованиям к разводке печатной платы, выполнение которых позволяет максимизировать параметры ИМС.

Раздел описания работы ИМС является наиболее информативным. Специалисты по применению ИМС фирмы-производителя, как правило, тестируют все приведенные в ТО схемы включения, однако это не означает, что разработчик, используя приведенные в ТО рекомендации, обязательно получит ожидаемые параметры. Рекомендации специалистов по применению ИМС являются отправной точкой для собственных разработок. Основные сведения о применении ИМС следует искать в разделе электрических параметров, в то же время раздел применения ИМС содержит большой объем дополнительной информации, которая дает возможность изучить и оценить типовые решения и, если это возможно, использовать их при разработке нового изделия. Если у разработчика возникают вопросы при знакомстве с разделом применения ИМС, необходимо обращаться к специалистам по применению ИМС фирмы-производителя.

В разделе ТО по применению ИМС, как правило, содержится описание корпуса и назначения выводов.

Большинство корпусов имеет стандартные размеры, однако при изучении этого раздела следует обратить внимание на материал, из которого изготовлен корпус, и требования к отводу избыточного тепла.

ВЫВОДЫ

  1. Техническое описание (data sheet), как правило, содержит всю необходимую для разработчика информацию об ИМС.
  2. При разработке нового изделия необходимо пользоваться не типовыми, а предельными значениями параметров ИМС.
  3. ТО современных ИМС содержит большой объем информации, для изучения которой требуется много времени. Однако не стоит ограничиваться чтением первой страницы ТО при выборе ИМС. Подробное изучение ТО позволит сократить время разработки и обеспечить оптимальные параметры проектируемого изделия.