Цифрові сигнали й довгі лінії

При передачі цифрових сигналів по кабелях або між окремими приладами виникають специфічні проблеми. Важливу роль починають грати такі ефекти, як ємнісне навантаження на швидкі сигнали, синфазні перехресні перешкоди, а також ефекти «довгих ліній» (відбиття від неузгодженого навантаження). Щоб забезпечити надійну передачу, у більшості випадків необхідно використовувати спеціальні засоби й відповідні інтерфейсні ІС. Деякі із цих проблем можуть виникнути навіть на окремій друкованій платі, тому необхідно дещо знати про способи передачі цифрових сигналів. Почнемо із проблем передачі в межах однієї плати. Потім розглянемо проблеми, що виникають при передачі сигналів між платами, по шинах даних, і нарешті, при передачі сигналів між приладами по скручених парах і коаксіальних кабелях.

Внутріплатні з'єднання

Струм перехідного процесу вихідного каскаду. Двотактна вихідна схема в ТТЛ і КМОН ІС складається з пари транзисторів, включених між U₊ і землею. Коли стан на виході змінюється, існує короткий інтервал часу, у якому обидва транзистора перебувають у відкритому стані; на цьому інтервалі від U+ до землі проходить імпульс струму, створюючи короткий негативний викид на шині U+ і короткий позитивний викид на земляній шині. Ця ситуація показана на рис. 9.5.

Рис. 9.5.

Припустимо, що ІС1 міняє свій стан; у цьому випадку від шини + 5 В к землі протікає великий короткочасний струм по зазначених шляхах (для деяких типів мікросхем струм може досягати 100 мА). Цей струм у комбінації з індуктивністю провідників землі й U ₊ приводить до появи, як показано на малюнку, коротких викидів напруги щодо опорної точки. Незважаючи на те, що викиди можуть мати тривалість усього 5 - 20 нc, вони доставляють масу неприємностей. Припустимо, наприклад, що ІС₂ перебуває в стані низького рівня й управляє схемою ІС₃, розташованої трохи далі. Позитивний викид на земляній шині ІС₂ з'являється й на її виході й, якщо цей викид досить великий, ІС₃ сприйме його як короткий викид високого рівня.

Таким чином, на ІС₃, розташованої на деякій відстані від ІС₁, з'явиться повноцінний логічний імпульс, готовий перешкодити нормальній роботі. Багато зусиль не потрібно для того, щоб запустити або скинути тригер, і такі викиди струму по земляній шині блискуче вміють робити подібну роботу.

Кращою профілактикою проти таких явищ є: а) використання великої кількості земляних шин по всій платі аж до застосування «земляних поверхонь» (одна сторона двосторонньої друкованої плати цілком приділяється під землю) і б) рясне використання конденсаторів розв'язки за всією схемою. Ніж могутніше шини землі, тим менше викиди, індуковані струмом (менше індуктивність і опір). Роль конденсаторів розв'язки, включених між U + і землею й розкиданих по всій платі, полягає в тім, щоб передати імпульси струму по найкоротших шляхах з невеликою індуктивністю й істотно зменшити викиди по напрузі (конденсатор працює як локальне джерело напруги, оскільки напруга на ньому істотно не змінюється під час коротких викидів струму). Найкраще встановити біля кожної ІС конденсатор ємністю від 0,05 до 0,1 мкФ, хоча може виявитися достатнім і один конденсатор на дві-три ІС. Крім того, для запасу енергії корисно розставити по всій платі танталові конденсатори великої ємності (досить 20 мкФ, 20 В). Між іншим, конденсатори розв'язки між шинами живлення й землею рекомендується ставити в будь-яких схемах, будь те цифрові або лінійні. Вони допомагають перетворити шини живлення в низькоімпедансні джерела напруги на високих частотах і запобігають сигнальному зв'язку між схемами через джерело живлення. Шини живлення без розв'язок можуть привести до непередбаченого поводження схеми, коливанням і взагалі до головного болю.

Викиди, обумовлені ємнісними навантаженнями. Незважаючи на розв'язки по живленню, ваші проблеми ще не закінчилися. Гляньте на рис. 9.6. Цифровий вихід виявляє паразитну ємність монтажу й вхідну ємність ІС, якою він управляє (звичайно, 5-10 пФ) як частина загального навантаження.

Рис. 9.6. Перешкоди на шині землі через ємнісне навантаження

Для того щоб здійснити швидкий перехід від стану до стану, він повинен відібрати від цього навантаження або подати в неї великий струм відповідно до I = C(d/dt). Розглянемо, наприклад, схему 74АСхх ( 5-вольтовий вихідний перепад за 3 нc), що управляє загальною ємністю навантаження 25 пФ (це відповідає 3-4 логічним навантаженням з короткими провідниками). Струм у момент логічного переходу становить 40 мА, тобто майже на максимальній навантажувальній здатності виходу керуючої ІС! Цей струм вертається через землю (при переході від високого до низького) або через шину +5 В (при переході від низького до високого), індуктуючі ці викиди, про які йшла мова раніше (для того щоб одержати уявлення про їхню величину, візьміть до відома той факт, що індуктивність монтажу становить приблизно 5нГн/см. На дюймі земляного проводу, по якому протікає цей струм логічного переходу, з'явиться викид U = L(d/dt) = 0,2 В). Якщо ІС виявиться октальним буфером з одночасними переходами на десятку виходів, то викиди по землі перевищать 1 В. Схожі викиди по землі (хоча й поменше) з'являться поблизу керованої ІС, де викиди струму вертаються на землю через вхідну ємність керованого приладу.

У синхронних системах з більшим числом елементів, що одночасно міняють стан, ситуація з викидами-перешкодами стає настільки серйозної, що схема не в змозі працювати надійно. Особливе значення це має для більших друкованих плат з довгими поміж зєднаннямі й довгим земляним шляхом. У такій схемі можуть відбуватися збої, коли ціла група ліній даних міняє свій стан від верхнього рівня до низького, викликаючи появу короткочасного дуже великого струму по землі.

Найкращий підхід до проектування полягає в тому, щоб використовувати масивне розведення землі (для забезпечення низької індуктивності), найкраще у вигляді внутрішнього шару землі на багатошаровій платі або принаймні перпендикулярних земляних провідників з обох сторін більше простої двосторонньої плати. Рясне використання конденсаторів розв'язки обов'язково. Гострота цих проблем не так велика для високовольтних КМОН-елементів (завдяки повільним фронтам); з іншого боку, для швидкодіючих логічних сімейств Р, А8 і АС (Т) ці проблеми досягають найвищої гостроти. З огляду на ці проблеми, краще не застосовувати без нестатку швидкодіюче логічне сімейство.