Лекция 10. Помехи в шинах питания

1. Механизме возникновение помех

Эквивалентная упрощённая схема подключения ЦИС с учётом индуктивности шины питания показана на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Эквивалентная схема системы питания

V_CC=V_SSV_SB; гдеV_SB=L(I/t),

где (I/t)скорость изменения тока в шине питания при переключении микросхемы,Iперепад тока, за который следует принимать сквозной ток,t время перепада токасоизмеримо с фронтом сигнала.

Падение напряжение на шине питания происходит в момент переключения микросхемы. Если это напряжение велико, то напряжение питания на микросхеме может выйти за пределы поля допуска (рис. 10.3), и микросхема поведет себя не предсказуемо. Это недопустимая ситуация!

Перепад тока следует определять по значению сквозного тока, который возникает в шине питания в момент переключения микросхемы (особенно ТТЛ) (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Работа выходных каскадов цифровых микросхем и режим сквозных токов (в)

Рис. 10.3. Изменение напряжения питания микросхемы

Установка развязывающих конденсаторов: 1допустимо, 2 улучшенная, на обратной стороне платы, 3 на плоскости заземления, 4 на плоскости заземления с последовательной индуктивностью, 5 феррит, 6конденсатор

10.2. Устранение помех по шинам питания

Понимая физическую суть полного сопротивления, можно дать общие рекомендации по снижению полного сопротивления системы питания. Они сводятся к следующему.

• Следует располагать шины питания и заземления (возвратные проводники) на минимальном расстоянии друг от друга; это расстояние определяется в МПП минимально возможной толщиной диэлектрической прокладки между проводящими слоями.

• Необходимо применять развязывающие конденсаторы с низкой индуктивностью (собственной и выводов).

• Целесообразно распределять подачу напряжения питания между несколькими параллельными выводами микросхемы.

• Следует отдавать предпочтение применению развязывающих конденсаторов, встроенных в корпуса микросхемы.

Роль развязывающих конденсаторов иллюстрируется на рис. 10.4 и 10.5.

Рис. 10.4. Фрагмент пути тока при логическом 0 на выходе первой микросхемы, токи помех протекают по значительному по площади контура системы распределенного питания и индуктивностям шины питания и заземления

Рис. 10.5. Развязывающий конденсатор как средство устранения пути тока через индуктивности шины питания и заземления и снижения площади контура протекания токов помех

Реальные развязывающие конденсаторы обладают не только емкостью, но и индуктивностью (например, выводов и монтажных проводников). Поэтому они обладают определенной скоростью разряда. Чем больше индуктивность, тем меньше постоянная времени разряда (рис. 10.6). Конденсаторы обладают резонансной частотой, после которой они работают как индуктивности (рис. 10.8). Развязывающие конденсаторы должны использоваться на частотах до резонанса. При наборе различных конденсаторов расширяется полоса малого полного сопротивления системы питания (рис. 10.9).

Рис. 10.6. Иллюстрация влияния различных типов развязывающих конденсаторов при переключении вентиля

Рис. 10.7. Эквивалентная схема развязывающего конденсатора

Рис. 10.8. Частотная характеристика полного сопротивления идеального и реального развязывающего конденсатора

Рис. 10.9. Измеренная индукция контура шести различных конденсаторов типа 0603 с емкостью варьируемой от 10 пФ до 1 мкФ, но с одинаковой топологией