4. Сигналдардың бұрмалануы және заманауи үис-дағы шулар Кристалдағы жүйелерде сигналдарды тарату шарттары

Деректерді өңдеудің әрбір бағдаржолы мүмкін болатын ауытқулар шегінде сигналдардың айқын бірізділігін және пішінін (формасын) талап етеді. Сигналдардың пішініне жүйедегі шулар және кедергілер әсер етеді. Сигналдар кідірісіне сұлба элементтерінің жүктемелік қабілеті, өткізгіштердегі сигналдардың таралу уақыты және жаңағы кедергілер әсер етеді. Сигналдардың бірізділігіне, кідірістеріне және пішініне шектеулердің жиынтығы сигналдардың орамдылығы (связность) деп аталады.

Сигнал кідірістерінің ҮИС элементтеріндегі типтік шамасы 20 ÷100 пс, ал ең жоғары (рекордный) шамасы 1пс-дан төмен. Сигналдарды өңдеудің қолайлы жылдамдығы 40Гбит/с асады. Алайда, ақпараттық ағындарды тарату жылдамдығы логикалық элементтермен емес, байланыс жүйесімен шектеледі. Күрделі ҮИС-да байланыс өткізгіштерінің жиынтық электр сыйымдылығы барлық транзисторлар сыйымдылығынан бірнеше есе артық. Импульстердің пикосекундтық фронттарына өту кезінде өткізгіштер бөлістік (распределенный) R-L-C байланыс сызықтарына айналады. Қазір миллиондаған бөлістік (распределенный) байланыс сызықтарында сигналдарды модельдеуге арналған есептеу қорлары жоқ, және жақын арада пайда болмайды. Сондықтан, байланыс сызықтары есебінде шоғырланған және орташаланған параметрлері бар үлгілер қолданылады.

Жүйенің сандық элементтеріндегі және байланыс сызықтарындағы сигналдардың бұрмалану түрлерін толығырақ қарастырайық.

Кедергінің бірінші түрі – корпус элементтерінен құралған зиянды L-C контурдағы тербелістердің өршуінен ҮИС импульстерінің кіріс және шығыс пішіндерінің бұрмалануы. Сонымен бірге, фронттарда сынықтар пайда болады, олар зиянды тербелістердің жұмыстық импульске жиналуына сәйкес келеді.

Бұрмаланудың екінші түрі фронт пен кесікке арналған логикалық элементтің жүктемелік қабілетіндегі айырмамен байланысты. Бұл фронт пен кесікке арналған сигнал кідірістерінің айырымына әкеледі. Бірнеше терістелмейтін элементтердің бірізді бірігуінен импульстердің қосылуы (слияние), не жоғалуы болады. Үлкен сыйымдылықты жүктемеде логикалық элементтердің жылжытылуы (смещение) және сигналды құрастыратын тұрақтының пайда болуы мүмкін.

Үшінші түрі қуатты каскадтардың ауысуы кезінде қорек көзі (питание) тізбектеріндегі импульсті кедергілердің өршуімен байланысты. Егер импульсті кедергінің қозғалысымен бір уақытта қорек көзі (питание) тізбегінде элементтің кірісінде қысқа кірістік импульс пайда болса, онда блоктың жұмыс істеуінің бұзылуы мүмкін. Жұмыс істеудің бұзылуы резонансты сипаттамаға ие және кіріс импульстердің фронты қуатты шығыстардың немесе синхрондалатын импульстердің фронттарымен сәйкес келетін жиіліктерде байқалады. Сыртқы байланыс сызықтарымен біріккен кіріс күшейткіштері резонансты кедергілерге сезімтал болып келеді.

Кедергілердің төртінші түрі өткізгіштер арасындағы электромагнитті байланыспен шарттасқан (обусловлен). Электромагниттік байланыс зиянды сигналдардың пайда болуына және жұмыстық импульстердің кідірістерінің өзгеруіне әкеледі. Кідірістердің өзгеруі мынадай түрде болады: уақыт әр түрлі сызықтарда бір жаққа таралған ауысулар арасында қысқарады, ал жан-жаққа таралғандар арасында артады. Осымен бірге сигнал кідірісінің тұрақсыздығы өседі.

Кедергінің бесінші түрі ортақ жайма (подложка) бойынша жабдықтардың байланысымен шарттасқан жартылай өткізгішті жабдықтардағы бақыланбайтын үрдістермен байланысты. Бұл – зиянды тиристорлар және жаймалық (подложечный) токтар. Егер МОП-транзистордағы жайманың (подложканың) гальваникалық қосылуының немесе жекелегіш «қалтаның» тізбектерінде жоғарыланған кедергі болатын болса, онда ол p-n ауысудың ашылуын және зиянды тиристордың қосылуын туғызуы мүмкін. ҮИС топологиясында байланысулардың жаймаға (подложкаға) және «қалталарға» жеткілікті мөлшерде және әрбір МОП-транзисторлар үшін минималды кедергімен үлестірілуінің қарастырылуы қажет.

Аналогтық сигналдардың сапасы сигнал/шу арақатынасымен және жүйе элементтерінің сызықты емес сипаттамаларында сигналдар пішінінің бұрмалануымен анықталады. Шулардың сигналдарға әсері шудың қуатының спектральді тығыздығымен сипатталады. Жүйенің аналогтық элементтерінің шулық қасиеттері шу коэффициентімен анықталады. Шу коэффициенті аналогтық элементтердің кірісі мен шығысында сигнал/шу арақатынасының қанша рет өзгеретіндігін көрсетеді. Шу коэффициенті үнемі 1-ден үлкен болады.

Сигналдардың орамдылығын (связность) қамтамасыз ететін жалғыз және әмбебап әдіс жоқ. Жүйе сигналдарына және олардың жүзеге асу шарттарына қойылатын әрбір талаптар жинағы үшін кедергілермен және элементтердегі бір текті еместіліктермен күрес әдістерінің өзіндік жинағы құрылады. Жобаның әрбір кезеңінде сигнал орамдылығын (связность) қамтамасыз ететін өзіндік әдістер қолданылады және барлық кезеңдер бұл үрдіске әсер етеді.