中國電子科技集團(tuán)公司三十所 張曉龍

當(dāng)前在國產(chǎn)化芯片日益普及的情況下，許多國產(chǎn)設(shè)備大量采用了國產(chǎn)化芯片，給我們民族工業(yè)帶來了進(jìn)步和發(fā)展，國產(chǎn)化芯片質(zhì)量品質(zhì)在近幾年也得到了大步提升，為大國裝備制造的質(zhì)量品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

國產(chǎn)芯片的使用過程中也會出現(xiàn)各種各樣的問題，要根據(jù)問題特點進(jìn)行認(rèn)真分析，以便提高整機(jī)設(shè)備的可靠性，下面就使用我國某研究所生產(chǎn)的集成電路74HC4046SN設(shè)備的低溫可靠性進(jìn)行分析總結(jié)。

1 集成電路74HC4046SN原理特性

鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)（簡稱PLL），是將兩個不同相位的信號通過壓控振蕩器同步鎖定在相同相位。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成，如圖1所示。

圖1 鎖相環(huán)主要組成部分

壓控振蕩器的輸出UO接至相位比較器的一個輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號Ui與來自壓控振蕩器的輸出信號UO相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓UΨ正比于Ui和UO兩個信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均值電壓Ud。這個平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致，這時兩個信號的頻率相同，兩相位差保持恒定（即同步）即稱作鎖定相位。

國產(chǎn)集成電路74HC4046SN主要性能指標(biāo)：

工作溫度范圍：-40℃～85℃，電源電壓：3～6V，傳輸延遲時間：≤53ns，≤102ns，輸出高電平電壓≥3.15V，輸出低電平電壓≤1.35V，輸入高電平電壓≥4.4V，輸入低電平電壓≤0.1V，電源電流≤160μA，最大允許功耗：500mW。

壓控電路原理圖，如圖2所示。

圖2 VCO壓控振蕩器電路原理圖

2 國產(chǎn)集成電路74HC4046SN使用的穩(wěn)定性情況

經(jīng)對大量國產(chǎn)集成電路74HC4046SN的使用，總體上質(zhì)量較好，符合軍標(biāo)試驗條件并滿足試驗要求，但也出現(xiàn)個別批次高低溫條件下不穩(wěn)定的情況，出現(xiàn)批次差異。使用我國某研究所生產(chǎn)的74HC4046SN共9個批次6000片的統(tǒng)計情況，合格批次7個，不合格批次2個，不合格比例18%，表現(xiàn)為約8%～20%的器件在高溫或者低溫時鎖相失敗。

對于表現(xiàn)為高溫或低溫極限溫度下相位不能鎖定的器件，同一批次只發(fā)生高溫失敗而低溫則正常，低溫失敗的則高溫正常。

3 鎖相環(huán)電路參數(shù)溫度穩(wěn)定性分析

不穩(wěn)定狀態(tài)與配置電阻有關(guān)，在極限高低溫環(huán)境下，要通過鎖相環(huán)電路將兩個信號相位鎖定輸出，應(yīng)關(guān)注的是輸入輸出信號Ain、Bin、out及配置電阻R1、R2，通過輸入輸出信號的頻率等參數(shù)計算制定配置電阻，在極限溫度條件下參數(shù)會發(fā)生變化，超出極限后導(dǎo)致鎖相失敗，若隨之調(diào)整配置電阻在一定的適配范圍，電路會正常工作。

根據(jù)芯片資料，設(shè)計目標(biāo)輸出頻率（PLL_4.096MHz）的計算公式簡化如下：

其中VCOin對應(yīng)9腳的輸入電壓，是芯片內(nèi)部VCO的壓控端；M1、M2、Vref和Vramp均為芯片固有參數(shù)，其中Vref和Vramp相對固定，分別是Vref—4.4V、Vramp—1.8V；M1取值6～7之間，計算參考值6.2；M2取值6～8之間，計算參考值取7.0。

對于給定的芯片參數(shù)，R1決定芯片輸出頻率的動態(tài)可調(diào)可鎖范圍，R2決定芯片的最低輸出頻率邊界。

由于VCOin電壓值決定了芯片內(nèi)部VCO輸出頻率的動態(tài)變化，實際工作中，芯片通過當(dāng)前相位鎖定狀態(tài)給出13腳電壓，經(jīng)LPF濾波電路決定VCOin壓控端電壓，微調(diào)內(nèi)部VCO輸出頻率，達(dá)到調(diào)整相位與輸入時鐘同步的目的。

4 國產(chǎn)集成電路74HC4046SN的穩(wěn)定性問題解決辦法及應(yīng)對措施

經(jīng)對對不穩(wěn)定的鎖相環(huán)電路深入分析，得到參數(shù)變化影響電路工作的機(jī)制：在不穩(wěn)定時，集成電路74HC4046SN的參數(shù)M1和M2變化，標(biāo)定參數(shù)為6≤M1≤7和6≤M2≤8（M1=6.2，M2=7），變化后的參數(shù)（M1=6.7，M2=8），標(biāo)定值發(fā)生偏移到達(dá)臨界，在配置電阻設(shè)置不能適應(yīng)變化時，發(fā)生鎖頻失敗。74HC4046SN的參數(shù)M1和M2符合其產(chǎn)品手冊的規(guī)定，但其參數(shù)一致性特別是高低溫的一致性穩(wěn)定性需得到提高。

目前從幾個方面進(jìn)行解決：

（1）生產(chǎn)廠家對參數(shù)一致性進(jìn)行篩選，將較大偏差和離散的器件篩選出去。

（2）在國產(chǎn)器件應(yīng)用時，應(yīng)充分考慮到各種因素，采用多種手段優(yōu)化配置應(yīng)用電路，將配置電阻重新計算和調(diào)整，使之更符合使用要求。

（3）通過生產(chǎn)工藝的提高達(dá)到參數(shù)較為一致和穩(wěn)定的器件。廠家對參數(shù)一致性進(jìn)行篩選，將增大廠家負(fù)擔(dān)，并非長久解決之道，廠家應(yīng)分析產(chǎn)生參數(shù)高低溫不穩(wěn)定不一致的原因，提高生產(chǎn)工藝技術(shù)，獲得品質(zhì)的提升。

總結(jié)：對于國產(chǎn)化鎖相環(huán)集成電路穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)個別批次存在參數(shù)一致性稍差的情況，要針對這一情況特別對待，通過篩選、修改配置電阻等手段可以彌補(bǔ)個別器件參數(shù)偏差導(dǎo)致的不足，更寄希望于生產(chǎn)廠家提高生產(chǎn)工藝技術(shù)，提升器件的品質(zhì)。