книги из ГПНТБ / Скарлетт, Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение

178 Глава 13

уровень логической 1 у элемента, работающего на линию синхро­ низации, должен в наихудшем случае быть равным не менее 3,1 В. Стандартный ТТЛ-вентиль не удовлетворяет этим требованиям, так как при 0° С и напряжении питания 5 В его выходное напряжение может составлять всего 3,0 В (это относится к вентилю SUHL1, для других вентилей это напряжение может быть еще ниже). Кроме того, вытекающий выходной ток вентиля с низкой нагрузочной способностью может (в наихудшем случае) оказаться при выходном напряжении > 3,1 В недостаточным для управления даже одним входом схемы синхронизации.

Можно обеспечить достаточный для управления входом синхро­ низации триггера выходной ток в состоянии логической 1 (за счет снижения запасов помехоустойчивости) у обычного вентиля с по­ мощью включения резистора между выходом вентиля и шиной пита­ ния. Сопротивление этого резистора нужно выбирать таким, чтобы при максимальном (с учетом допуска) напряжении питания ток через резистор не превышал допустимый втекающий выходной ток управ­ ляющего вентиля. Количество входов синхронизации, которыми может управлять один такой вентиль, можно определить, рассчитав выходной ток через резистор при напряжении логической 1, равном

3,1В .

Например, в сочетании с вентилем серии SUHL1 можно исполь­ зовать резистор сопротивлением 270 Ом. При 5%-ном (наихудшем) уходе сопротивления в течение срока службы и максимальном напряжении питания 5,5 В втекающий выходной ток вентиля с на­ пряжением насыщения 0,2 В должен составлять не менее 20,6 мА; такой ток обеспечивается почти всеми «медленными» вентилями с высокой нагрузочной способностью при выходном напряжении

0,45 В.

При напряжении питания 4,75 В вытекающий ток резистора при напряжении 3,1 В равен 5,8 мА, ток самого вентиля еще 1,2 мА, т. е. суммарный выходной ток в наихудшем случае составляет 7,0 мА. Это означает, что один вентиль с высокой нагрузочной спо­ собностью может управлять 10 входами синхронизации триггеров D-типа.

Экспериментальные исследования показали, что при описанной выше организации работы на линию синхронизации помехи по уровню логической 1 не вызывают ложных синхросигналов даже при одновременном переключении двух «быстрых» вентилей, рабо­ тающих на линию в виде печатных проводников длиной 30,5 см, расположенных по обе стороны линии синхронизации с шагом

1,27 мм.

Если к такой линии синхронизации предполагается также под­ ключать входы обычных вентилей, то сопротивление нагрузочного резистора надо увеличить, а допустимое количество подключаемых входов синхронизации уменьшить.

13.7. Топология кристаллов триггеров D-типа

13.7.1.В В ЕД ЕН И Е

Глядя на принципиальную схему, можно предположить, что топология триггера D -типа должна быть сложной. Нами были сфотографированы кристаллы триггеров фирм Sylvaniaи Transitron и исследована их топология. Топологические схемы этих кристаллов оказались совершенно различными. Кристалл фирмы Sylvania (фиг. 13.14) имеет форму прямоугольника с длиной, почти вдвое превышающей ширину, тогда как кристалл фирмы Transitron имеет почти квадратную форму. Многоэмиттерные транзисторы в ИС фирмы Sylvania имеют форму «сердечка», а в ИС фирмы .Transitron используются прямоугольные или Т-образные транзисторы. Это различие, как оказалось, не оказывает никакого влияния на токи утечки входов. Схема триггера не содержит цепей с большими (свыше 20 мА) токами, поэтому в обеих топологиях поперечные размеры алюминиевых дорожек выбраны с запасом.

13.7.2.ТОПОЛОГИЯ КРИСТАЛЛА ФИРМЫ SYLVANIA

Кристалл фирмы Sylvania имеет размеры примерно 2,4 х 1,3 мм. Топология его содержит всего двенадцать скрытых подокисных пересечений проводников, два из которых включены последователь­ но с резисторами. Эти пересечения расположены: между резистором R 2g и транзистором Г34; между диодами D 5 и D 3; на эмиттере транзи­ стора TSi; на эмиттере транзистора Г13; между объединенными эмит­ терами транзисторов Г 18 и T 2i и тактовым генератором; между объе­ диненными эмиттерами транзисторов Т 18 и Г 19и коллектором тран­ зистора Г 29; между объединенными эмиттерами транзисторов Т 21 и Т 2 2 и коллектором транзистора Тзъ\ на объединенных эмиттерах транзисторов Т 1аи Гм; на объединенных эмиттерах транзисторов Т22 и Г 23; между резистором R 3i и транзистором Г 28; на эмиттере тран­ зистора Г 28; между эмиттером транзистора T s и тактовым генера­ тором. Очевидно, что влиянием пересечений, включенных последо­ вательно с резисторами, можно пренебречь.

Еще два пересечения находятся на тех участках выходных це­ пей, где другие изготовители ТТЛ-схём располагают диоды, поэтому эти пересечения можно не учитывать; одно пересечение находится в' диодной цепочке. Все остальные (кроме одного) включены непо­ средственно во входных цепях стандартных вентилей. Таким обра­ зом, в схеме есть только одно критичное пересечение — в эмиттерной цепи транзистора Т 13> где допустимо падение напряжения не свыше 0,2 В (фиг. 13.11).

Наиболее очевидными особенностями данной топологии яв­

Фи г . 13.14; Топология кристалла D-триггера фирмы Sylvania.

сунке сверху), а также входные транзисторы собственно триггерной схемы T 1S—Г 23, которые вместе со своими базовыми резисторами расположены в центре кристалла. В эту группу входит также тран­ зистор Т 1Ъ\ его соединения на первый взгляд кажутся «перепутан­ ными», так как по тому месту, где должен быть базовый контакт, проходит металлическая дорожка, не имеющая контакта с базовой областью. Сам же базовый контакт расположен между двумя эмиттерными контактами. Шина питания проходит снизу вверх вдоль левой стороны кристалла; к ней подключены различные резисторы схемы, среди которых наиболее заметны резисторы R 3b и R 3e.

На топологии кристалла хорошо видны также большие прямо­ угольные выходные транзисторы Г 28 и Тзъ\ интересно отметить, что земляная шина проходит к краям кристалла непосредственно через их эмиттерные-области.

Алюминиевая дорожка, огибающая с внешней стороны кон­ тактные площадки земли и выходов ИС, представляет собой выход­ ную сигнальную шину схемы синхронизации, соединенную с змиттерными выводами входных элементов.

Интересно также отметить, что транзистор Т 8 расположен до­ статочно далеко от остальных входных вентилей, однако его инвер­ тирующий транзистор T lt расположен рядом с ним и соединяется с расширительными входами ИЛИ остальной части схемы длинными проводниками.

Схема усилителя синхронизации расположена в нижнем правом углу кристалла; наиболее заметным ее компонентом является рези­

ницу при «чтении» топологии (на фигуре это соединение показано в виде подокисного пересечения). Все диоды изготавливаются как транзисторы со стандартной геометрией, коллекторы и эмиттеры которых соединены друг с другом с помощью металлизации.

13.7.3., ТОПОЛОГИЯ КРИСТАЛЛА ФИРМЫ TRANSITRON

Кристалл фирмы Transitron имеет размеры 1,9x1,6 мм и более плотное по сравнению с кристаллом фирмы Sylvania размещение компонентов (фиг. 13.15). В ИС использовано шесть подокисных пересечений: между выводом 8 и входом синхронизации, между эмиттером транзистора Ti и транзистором Т20 и по два последова­ тельно включенных пересечения в цепях обратной связи между

выходами Q и Q и входами триггерной схемы (Г21, Г 22 и Т и , Т 1в). Следовательно, все эти пересечения включены во входные цепи стан­ дартных вентильных схем или в входную цепь схемы синхрониза­ ции, где влияние их сопротивлений пренебрежимо мало.

В ИС фирмы Transitron используются Т-образные или прямо­ угольные многоэмиттерные транзисторы. Диоды D3 и D 4 имеют

мощью эмиттерной диффузии в коллекторных областях транзисто­ ров, с которыми они соединены по принципиальной схеме.

Как и на кристалле фирмы Sylvania, транзистор Т 3 удален от остальных входных транзисторов, однако транзистор Т 12 имеет

а не в коллекторную и эмиттерную, как на кристалле фирмы Syl­ vania. Длина этого проводника в кристалле фирмы Transitron зна­ чительно меньше, поэтому его влияние на быстродействие ИС должно быть примерно таким же, как и в ИС фирмы Sylvania.

Очевидной особенностью кристалла фирмы Transitron является наличие неиспользуемых подокисных пересечений и контактных окон (не показанных на фигуре). Они используются в сочетании с другими фотошаблонами для металлизации при создании различ­ ных модификаций схемы триггера.

Кристалл фирмы Transitron отличается от кристалла фирмы Sylvania тем, что в нем отсутствуют резисторы R 3b и R 3i в выходных

каскадах Q и Q и объединены коллекторы транзисторов Т33 и T3i> а также транзисторов Г 27 и Г 28. Это позволяет при необходимости включать в эти коллекторные соединения небольшие сопротивле­ ния, которые обычно закорачиваются с помощью металлизации.

Распределение емкостей в рассмотренных топологических ва­ риантах ИС выполнено таким образом, чтобы максимально повысить устойчивость работы ИС. Это распределение позволяет полностью исключить «гонку» логических сигналов и выполнено в предполо­ жении, что быстродействие транзисторов пропорционально их геометрическим размерам.

Из топологических чертежей кристаллов можно сделать вывод, что если какой-либо из входных вентилей триггера не используется в логической схеме устройства, то этим вентилем должен быть вен­

То обстоятельство, что в обоих топологиях имеются контактные площадки, расположенные на некотором удалении от края кристал­ ла, не влечет за собой риска коротких замыканий соединительных проволочек, так как в стандартных корпусах типа DIP кристалл устанавливается значительно ниже уровня рамки с выводами и сое­ динительные проволочки от поверхности кристалла круто идут вверх. Кроме того, кристалл после металлизации покрывается окислом, поэтому соединительные проволочки могут контактиро­ вать со своими контактными площадками только через окна, вытрав­ ленные в этом окисном слое. '

Входные и выходные цепи ИС разнесены настолько, насколько это возможно в схемах столь высокой сложности, поэтому связи между входными и выходными цепями в них исключаются.

14

Теория линий передачи в"применении

кконструированию печатных плат

14.1.Введение

Поскольку работа цифровых логических систем в основном определяется тем, принимают ли напряжения в их узловых точках высокие или низкие значения (иными словами, значения логических 1 или 0), может возникнуть ошибочное представление, будто электри­ ческие процессы, имеющие место в цифровых схемах, близки к про­ цессам на постоянном токе. Следовательно, при конструировании печатных плат надо принимать меры лишь к тому, чтобы была соз­ дана вся требуемая картина межсоединений, все печатные провод­ ники имели бы достаточную ширину для пропускания постоянного тока необходимой величины, а расстояния между проводниками были удовлетворительны с точки зрения электрической изоляции и технологичности изготовления плат.

На самом деле такое представление совершенно не соответствует действительности. Неправильная трассировка линий на печатных платах, соединяющих логические схемы, может привести к значи­ тельной потере быстродействия, а также к появлению паразитных сигналов на входах вентилей, что в конечном итоге может вызвать потерю обрабатываемой информации. Переключение ТТЛ-вентилей происходит за единицы наносекунд, и, если необходимо сохранить столь высокое быстродействие, разработчик печатной платы должен хорошо понимать, что он создает устройство, работающее на частотах в сотни мегагерц, а не на постоянном токе.

Хотя на практике разработчики могут выполнять значительную часть своей работы по конструированию печатных плат, не прибегая к расчету всех параметров каждого печатного проводника, необхо­ димо все же, чтобы инженеры, применяющие ТТЛ ИС, были знакомы с основами теории линий передачи.

Если бы речь шла о передаче одного-еДинственного сигнала между двумя точками платы, приложение общей теории линий пере­ дачи не составляло бы трудности. К сожалению, соединения между

'корпусами ИС образуют на поверхности платы сложную сеть печат­ ных проводников, а при этих условиях строгая теория усложняется до такой степени, что становится неприменимой к решению конкрет­ ных технических проблем. В данной главе, а также в гл. 15 опиеы-

вается упрощенная теория, применяемая автором и его коллегами по Отделению вычислительных машин фирмы Marconi, а также при­ водятся результаты практических испытаний, проведенных с целью использования результатов основной теории в сложных рабочих условиях быстродействующих систем обработки цифровой инфор­ мации. Общая направленность данного раздела книги заключается не столько в том, чтобы дать исчерпывающую теорию линий пере­ дачи, сколько в том, чтобы вооружить инженера, применяющего ТТЛ ИС, сведениями, необходимыми ему для практической работы.

Наибольшее влияние на работу ТТЛ ИС, размещенных на печат­ ной плате, оказывают два эффекта при распространении сигналов по линиям передачи: паразитные колебания, накладывающиеся на основной сигнал, и перекрестные наводки между независимыми линиями передачи сигналов. Паразитные колебания возникают вследствие неточного согласования на конце линии передачи или вследствие неоднородностей, имеющихся по ее длине. Перекрестные наводки — результат электромагнитной связи между соседними линиями передачи.

14.2. Теория линий передачи

14.2.1.СВОЙСТВА ОДИНОЧНОЙ ЛИНИИ П ЕРЕДА ЧИ

14.2.1.1.Волновое сопротивление. Проводник, расположенный по одну сторону печатной платы, по другую сторону которой имеется сплошная металлическая земля, называют микрополосковой ли­ нией передачи или просто микрополосковой линией. Можно пода­ вать на вход, микрополосковой линии импульсы, и они будут рас­ пространяться вдоль линии в виде последовательного во времени изменения напряжений и токов в ее точках. Если предположить, что потери в линии отсутствуют, то ее можно представить как ряд последовательно включенных индуктивностей и параллельно вклю­ ченных емкостей, равномерно распределенных по длине линии. Если напряжение на входе линии фиксировано, то ток в линии будет опре­ деляться волновым сопротивлением линии Z0=V/I. Можно пока­

зать, что в линии без потерь Z„ = У L/C, где L — погонная (на еди­ ницу длины) индуктивность и С — погонная (на единицу длины) емкость линии. Поскольку как суммарная индуктивность, так и суммарная емкость нарастают по длине линии равномерно, Z0 при любой конфигурации линии постоянно и не зависит от длины. Для случаев, представляющих практический интерес для разработчика систем с ТТЛ ИС, Z0 можно определить из фиг. 14.1 или же по фор­

муле Z0 = ll,8L/]/% , где £. — эффективная диэлектрическая по­ стоянная материала. Это не то же самое, что и диэлектрическая постоянная основного материала пластины, на которой изготовлена

186 Глава 14

печатная плата, поскольку микрополосковая линия соприкасается с материалом платы только с одной стороны, а другая ее сторона и оба края соприкасаются с окружающим воздухом. Практически значения Z0 для печатных плат лежат в пределах примерно между

50 и 120 Ом.

Толщина диэлектрика, мм

Фи г . 14.1. Волновое сопротивление печатных -проводников для плат со сплош­ ной землей на обратной стороне. Материал платы — эпоксидный стеклопластик G10; на кривых показана ширина проводников в миллиметрах.

14.2.1.2. Задержка распространения. Импульсы распространя­ ются вдоль линии передачи обычно в виде ТЕМ-волны и со ско­ ростью, составляющей некоторую долю (в типичном случае около

0,6) от скорости света. Для линий без потерь 7^=3,32 j / f нс/м. Значения Тр для микрополосковых линий, наиболее часто встре­

чающихся на печатных платах с ТТЛ ИС, даны на фиг. 14.2. Для типичного случая (печатные проводники на плате из эпоксидного стеклопластика G10, имеющей толщину 1,6 мм) можно принять Т —

=6,55 нс/м. Более подробные данные для различных печатных плат можно найти в книге J. A. Scarlett, Printed Circuit Boards for Microelectronics, Van Nostrand Reinhold, 1970.

14.2.2.1. Нагрузки в конце линии. Импульс, распространяющий­ ся по линии бесконечной длины, встречает на своем пути только индуктивность и емкость, так что в линии без потерь распростране­ ние его происходит равномерно. Однако в линии конечной длины импульс в конечном итоге появится на ее выходе. Что при этом произойдет, зависит от импеданса, который импульс встретит в кон­ це линии. Если в конце линии имеется сопротивление Zn равное ее волновому сопротивлению Z0, то изменение тока в нагрузке Zr, связанное с изменением напряжения на конце линии, будет таким же, как изменение тока вдоль линии. Иными словами, нагрузка целиком поглотит сигнал.

Если, однако, импеданс нагрузки в конце линии не равен вол­ новому сопротивлению линии, то значения напряжения и тока на выходе линии не могут быть такими же, как при распространении импульсавдоль линии. Проще всего здесь оценить граничные слу­