Metastability tests for the 74F786 4-input asynchronous bus arbiter

Under  contract  with  Signetics,  Mr.  Thomas  J.  Chaney  of  WashingtonUniversity,  St.  Louis  tested  a  set  of  nineteen  74F786  samples(packages)  to  determine  the  metastable  state  recovery  statistics  forthe  circuits.  The  tests  were  conducted  using  a  procedure  describedin  a  paper  entitled  “Characterization  and  Scaling  of  MOS  Flip-FlopPerformance”,  (section  IV),  by  T.  Chaney  and  F.  Rosenberger,presented  at  the  CalTech  Conference  on  VLSI,  January  1979.  Thegeneral  test  procedure  was  to  test  all  19  packages  under  onecondition,  then  test  the  best,  worst,  and  an  average  package  in  moredetail.  According  to  Mr.  Chaney,  the  test  results  from  the  19packages  formed  one  of  the  tightest  groupings  that  he  has  everseen.  As  the  parts  were  numbered,  package  No.  7  had  the  fastestresolving  times,  No.  11  produced  some  of  the  slowest  resolvingtimes,  and  No.  1  had  resolving  times  near  the  middle  of  the  testresults.  This  ranking  of  the  test  results  from  3  packages  remainedthe  same  throughout  the  balance  of  the  test  program,  whichsupports  the  complete  testing  of  only  3  packages.  In  general,  thepoorest  performance  resulted  when  the  packages  were  heated  tonear  75°C  with  VCC  =  4.5VDC  and  the  best  performance  resultedwhen  the  packages  were  cooled  to  near  0°C  with  VCC  =  5.5VDC.The  variation  within  one  package  caused  by  the  temperature  andVCC  changes  was  greater  than  the  variation  from  package  topackage.  It  must  be  noted  that  none  of  the  packages  tested  evenapproached  the  data  sheet  input  to  output  worst  case  propagationdelay  of  10.5ns.  All  the  packages  tested  for  a  single  active  output,had  propagation  delays  of  about  6ns.  Typically,  the  parts  with  longerpropagation  delays  also  have  slower  resolving  times.  Thus,  onewould  expect  that  the  delay  time  needed  to  have  only  one  failure  in32  years  using  a  10ns  propagation  delay  part  would  be  much  longerthan  a  value  derived  from  just  adding  10–6  =  4ns  to  the  abovecalculations.  thus  it  appears  that  the  poorest  performance  measuredin  this  study  should  be  considered  a  measurement  at  the  edge  of  thetypical  range  for  74F786  parts.It  must  also  be  noted  that  the  tight  grouping  of  this  set  of  packagesmeans  that,  when  comparing  differences  between  these  test  results,the  measured  error,  as  outlined  in  “Measured  Flip-Flop  Responsesto  Marginal  Triggering”,  IEETC,  December  1983,  is  significant.  Thisis  illustrated  in  association  with  Table  5.