4.2. Помехоустойчивость логических элементов

К дискретным системам относятся импульсные и цифровые системы. Имеются три вида импульсной модуляции: амплитудная, широтная и фазовая, с постоянным периодом чередования импульсов. Кроме того, существует частотная импульсная модуляция, когда размер импульса неизменен, а частота (период) следования импульсов меняется в зависимости от входного сигнала. Все эти четыре вида импульсной модуляции характеризуются квантованием входного непрерывного сигнала по времени. Цифровые же системы отличаются одновременным квантованием сигнала во времени и по уровню. При этом эффект квантования сигнала по уровню тем значительнее сказывается на особенностях процесса управления, чем меньше число разрядов, т.е. чем больше размер ступенек квантования уровня сигнала. В том случае, когда в контур системы управления включается цифровой вычислитель, проявляются еще такие особенности, как: преобразование сигнала в соответствии с заданным вычислительным алгоритмом и временное запаздывание, обусловленное временем, необходимым для процесса вычисления. К дискретным системам относят также релейные системы.

Отсутствие единой методологии в определении помехоустойчивости логических элементов порождает многообразие определений, порою противоречащих друг другу. Поэтому представляет интерес попытка применения единого вероятностного подхода к определению (качественному и количественному) помехоустойчивости потенциальных логических элементов (ПЛЭ). Выбор ПЛЭ обусловлен тем, что они нашли широкое применение в цифровой технике и являются перспективными.

Для последующего изложения принимается вероятностная модель представления анализируемых процессов. Выбор вероятностной модели обусловлен статистической природой рассматриваемых явлений. В зависимости от того, рассматривается или нет взаимодействие ПЛЭ с помехой во времени, возможные модели подразделяются на динамические и статические.

Принимается следующее качественное определение помехоустойчивости:

- помехоустойчивость ПЛЭ есть способность в условиях помех правильно выполнять заданный алгоритм с вероятностью не ниже обусловленной.

При детерминистическом определении помехоустойчивости по переходным характеристикам определяют запас помехоустойчивости для логических состояний «0» и «1». По этой методике напряжение (потенциал) помехи не должен превышать запаса помехоустойчивости.

В общем случае в вероятностных терминах это запишется как

, (1)

где V_П - амплитуда помехи (случайная величина);

U_П - запас помехоустойчивости (неслучайная величина);

Р₁ - индекс вероятности.

Так как в выражение (1) не входит «время» и все используемые напряжения – потенциальные, то помехоустойчивость, определяемую по (1), следует считать статической потенциальной помехоустойчивостью ПЛЭ – а_СТ.П.

Известен другой вид помехоустойчивости, характеризующий устойчивость ПЛЭ к единичной импульсной помехе. В этом случае устойчивость к помехе определяется уже двумя координатами:

- U_п - амплитудой помехи;

- t_LJ  - длительностью пришедшего импульса.

Следовательно, помехоустойчивость к единичной импульсной помехе определяется двухмерным вектором – системой двух случайных величин:

, (2)

где t_ПОТ – минимальная длительность потенциала помехи, т.е. длительность, соизмеримая или превышающая длительность переходного процесса ПЛЭ.

Выражение (2) характеризует статическую помехоустойчивость к единичной импульсной помехе. Назовем ее статической импульсной помехоустойчивостью первого рода.

Для элементов ДТЛ помехоустойчивость практически полностью определяется статической потенциальной помехоустойчивостью для всех возможных помех. Элементам ТТЛ свойственна помехоустойчивость первого рода.

В реальных условиях эксплуатации возможна помеха, состоящая из группы в m(m-2) импульсов. Уровень помехоустойчивости при этом снижается. Такой вид помехоустойчивости можно назвать статической импульсной помехоустойчивостью первого рода. Помехоустойчивость второго рода определяется уже трехмерным вектором – системой трех случайных величин.

. (3)

Сравнение выражений (1), (2) и (3) показывает, что статическая потенциальная помехоустойчивость является частным случаем импульсной помехоустойчивости первого рода, а последняя, соответственно, является частным случаем статической импульсной помехоустойчивости второго рода.

В общем случае, помехоустойчивость ПЛЭ с несколькими возможными входами для помехи, с учетом логических состояний («0» или «1») и других параметров имеет вид:

где п - количество витков помех;

a_i - статистический коэффициент веса i-ro входа;

р_i - помехоустойчивость по i-му входу;

t - текущее время;

t_U - длительность импульса;

 - длительность фронта импульса;

m - количество импульсов в групповой помехе; S - состояние ПЛЭ в момент прихода помехи («0»; «1» или переходный процесс);

N - количество внутренних положительно обратных связей;

к - коэффициент разветвления по выходу;

V_П - амплитуда помехи (случайная функция случайных аргументов);

U_П - запас помехоустойчивости (неслучайная функция случайных величин).

В заключение кратко приведем некоторые результаты проведенного анализа по возможностям определения запаса помехоустойчивости:

1. Если требуется определить запас помехоустойчивости ПЛЭ по методу наихудшего случая, то искомой величиной является запас статической потенциальной помехоустойчивости.

2. Грубо запас помехоустойчивости определяется, как значение математического ожидания неслучайной функции U_П при равенстве случайных аргументов выбранным постоянным значениям.

3. Тонкие методы определения запаса помехоустойчивости связаны с применением активного планируемого эксперимента.

При построении устройств цифровой техники на транзисторных логических элементах необходимо знать помехоустойчивость этих элементов.

Вопросы статической помехоустойчивости, ее теоретические и практические аспекты достаточно подробно освещены. Вопросы импульсной помехоустойчивости логических элементов слабо отражены в литературных источниках, а методы определения импульсной помехоустойчивости – в основном, экспериментальные.

Для определения импульсной помехоустойчивости транзисторных элементов необходимо знать реакцию элемента на импульсное воздействие по входу. Так как помехи, воздействующие на вход логического элемента, могут иметь различную амплитуду, длительность, частоту, и т.д., то возникает задача определения зависимости выходного сигнала от характеристик входного сигнала. Предлагается метод определения амплитудной характеристики передачи транзисторных логических элементов с учетом длительности, частоты и амплитуды входного сигнала, проводится анализ импульсной помехоустойчивости резистивно-транзисторного логического (РТЛ) элемента.

Для полупроводниковых элементов вводят характеристику помехоустойчивости в виде изображенного на рис. 4.1. графика:

Рис. 4.1. Пояснение помехоустойчивости дискретных систем:

Н, L - потенциальные области уровней высокого и низкого состояний; U₀ -выходное напряжение схемы А; U₁ - входное напряжение схемы В; (U_QHmin - U_QLmах), (W_1Hmin - W_lLmax) – запрещенные области; 1 – область неустойчивости; 2 — область устойчивости.