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

чаи. Если линия на выходе замкнута накоротко, то на ее конце не может быть никакого напряжения, так что фронт импульса напря­ жения, распространявшийся вдоль линии, будет отражен обратно ко входу (началу) линии таким образом, чтобы напряжение на вы­ ходе линии было равно нулю. В другом граничном случае, когда нагрузки на выходе линии нет (случай холостого хода), на конце линии не может протекать какой-либо ток, и отражение при этом будет происходить таким образом, что ток на выходе линии будет равен нулю, а напряжение на выходе линии будет иметь удвоенную величину. Фактически на практике всегда имеет место частичное отражение импульса от конца линии. Когда оконечный импеданс меньше Zn, отражение приводит к уменьшению амплитуды импульса на выходе линии и частичному исчезновению прямого импульса по мере того, как отраженный импульс распространяется по направле­ нию к началу линии. Если же оконечный импеданс больше Z0, от­ ражение приводит к увеличению амплитуды прямого импульса.

14.2.2.2. Определение отражений. Большинство линий передачи может быть представлено в виде эквивалентной схемы, изображенной

X

Фи г . 14.3. Эквивалентная схема линии передачи,-нагруженной на конце.

на фиг. 14.3. Если генератор вырабатывает в момент времени t0 идеальную ступеньку напряжения Е, то в точке s при этом возникает скачок напряжения, имеющий амплитуду Vsl= E [Z0/(Z0+ Z 5')].3tot скачок напряжения будет распространяться вдоль линии, создавая в ней ток Vsi/Z0, и через время Т=1Тр (нс) он появится на выходном конце линии. В точке г возникнет отраженный фронт импульса, имеющий амплитуду 1/п = рт1/51, где pt — коэффициент отражения на выходном конце линии:

. Значение р. может меняться от —1 для случая короткого замы­ кания на выходе (отраженный импульс полностью компенсирует прямой импульс) до +1 для случая холостого хода на выходе (в ре­ зультате отражения амплитуда прямого импульса удваивается);

случай, когда импеданс оконечной нагрузки равен волновому сопро­ тивлению линии, соответствует рх=0.

Текущее изменение напряжения на нагрузке Zr будет равно

v„ + (1 + р ,) = £ ^ ( 1 + | ^ | ) . (14.2)

Отраженный фронт, импульса будет распространяться вдоль ли­ нии по направлению к ее входу, и на входном конце линии в момент

а амплитуда фронта импульса, который после отражения на входном конце начнет распространяться по направлению к выходу линии, будет теперь равна У^гртр5. Изменения входного напряжения Vs будут наблюдаться в момент t0 и затем в моменты 2Т, АТ, 6Т и т. д. по мере того, как будут происходить последовательные отражения. Соответственно изменения выходного напряжения будут иметь место в моменты Т, 3Т, 5Т и т. д. Напряжение в любой точке линии в любой момент времени равно сумме Vsl и всех последующих отра­ женных фронтов импульсов, успевших появиться к рассматривае­ мому моменту времени.

Если предполагается, что потери в линии отсутствуют, то" для Vs и Vr в конечном счете установится значение

стоячих волн Es и Ег отсутствуют, то напряжение в линии меняется

Фи г . 14.4. Графики для вычисления напряжений в линии.

впределах от 0 до Е, и решение упрощается, как показано на фиг

14.5.На фиг. 14.6 показан процесс повышения напряжения в линии от 0 до Е вольт. Сначала генератор работает на волновое сопротив-' ление Z0, что соответствует прямой ОА с наклоном 1/Zn. Эта прямая пересекается в точке В с прямой, соответствующей импедансу Zs\ абсцисса этой точки равна начальному скачку напряжения на входе линии. Затем от точки В проводят прямую ВС с наклоном —1/Z0. Точка D пересечения этой прямой с прямой OV, соответствующей

импедансу Z R, дает Уг1. Следующую прямую проводят от точки D с наклоном 1/Z0; она пересекается в точке V с прямой, соответс-твую-

Ф и г. 14.6. График для определения отражений.

щей импедансу Zs, и это пересечение дает Vs2, а следующая прямая, проведенная из точки V с наклоном — 1/Z0, дает Vr2. Этот процесс графического решения следует продолжать до тех пор, пока полу­ чающиеся приращения не станут пренебрежимо малыми.

Из фиг. 14.4—14.6 видно, что при Zr= Z 0 отражения отсутствуют. Фиг. 14.6 соответствует ситуации, когда волновое сопротивление вдвое больше импедансов оконечных нагрузок. Построение на фиг. 14.6 дает возможность найти передние фронты импульсов в ли­ нии. Чтобы найти задние фронты (напряжения уменьшаются до нуля), построение начинают с точки V и находят величину отраже­ ний на входном конце линии по прямой, проходящей через начало координат. На фиг. 14.7 сделано построение для определения перед­ них и задних фронтов в случае, когда Zr> Z r, но Zy< Z 0. На этой фигуре показано также, как можно найти напряжения на обоих концах линии (в точках R и S); построение проведено для обоих случаев в отдельности,

Данный метод графического решения остается справедливым и для случая нелинейных оконечных импедансов.

линейно нарастающие фронты «прямых» (для рассматриваемого этапа переходного процесса) импульсов должны достигать устано­ вившихся значений. Соответственно уменьшаются амплитуды коле­ баний вокруг установившегося состояния. На фиг. 14.8 эти про­ цессы показаны для случаев t R/ T = 3 и t R/ T = 4.

Критической называют длину линии, соответствующую t RI T = 2, т. е.

Здесь /сг — в метрах , t R — в наносекундах и Тр — в наносекун­ дах на метр.

Линии передачи, соответствующие t R/ T ^ . l , называют длинными, а линии передачи, соответствующие t R/ T ^ 4 ,— короткими. Следует подчеркнуть, что электрическая длина линии может быть определе­ на лишь в том случае, если известно быстродействие генератора, работающего на данную линию; линия является критической, длинной или короткой лишь по отношению к длительности фронта поступающего на нее импульса.

Переходная характеристика у короткой линии будет (в первом приближении) такой же, как у линии передачи, у которой на входе включена сосредоточенная емкость, равная погонной емкости линии.

14.2.3.НЕОДНОРОДНОСТИ

До сих пор мы предполагали, что линия передачи однородна, т. е. ее погонная индуктивность и погонная емкость неизменны по всей длине линии. Однако на практике это встречается довольно редко. Любое изменение ширины печатного проводника будет при­ водить к тому, что в микрополосковой линии возникнет неоднород­ ность. Неоднородности возникают также за счет сквозных метал­ лизированных отверстий в печатной плате, за счет подключения разъемов, разветвления печатных проводников и вообще за счет любого изменения поперечного сечения микрополосковой линии.

В любой неоднородности возникают отражения, в результате которых появляются импульсы, распространяющиеся в обратном направлении (ко входу линии). Кроме того, прямые импульсы (распространяющиеся по направлению к выходу линии) также претерпевают в неоднородности некоторые изменения.

14.2.3.1. Изменение ширины проводника. Изменение ширины печатного проводника означает изменение волнового сопротивления линии в точке неоднородности. Амплитуду первого отраженного импульса в этой точке можно найти, рассматривая волновое сопро­ тивление линии после неоднородности как нагрузку для первого участка линии и вычисляя отражения, а для второго участка (после неоднородности) эту амплитуду можно найти, рассматривая

в уменьшении амплитуды сигнала, действующего между входом линии и неоднородностью, и в увеличении длительности фронта сиг­ нала после неоднородности. На фиг. 14.9 показано влияние неболь­ шой емкостной неоднородности на линию с волновым сопротивле­ нием 100 Ом.

Фи г . 14.9. Влияние емкостной неоднородности (дополнительная задержка тре­ буется для того, чтобы сигнал на выходе линии достиг 90% установившегося зна­ чения).

14.2 .4 . «м о н т а ж н о е или»

«Монтажное ИЛИ» является способом реализации логической функции ИЛИ посредством такого монтажного соединения выхо­ дов нескольких активных элементов (например, коллекторов транзисторов), что при включении одного (любого) из этих уст­ ройств весь схемный узел удерживается в состоянии «включено». Будучи распределена по некоторой площади печатной платы, схема «монтажное ИЛИ» может представлять активные резистивные неоднородности в линии, которая соединяет между собой выходы активных устройств. При использовании логических схем высокого быстродействия этот эффект весьма важен, и его обязательно надо учитывать. Потенциал на линии (в общем узле) может быть низким

элементов выключится, то потенциал в узле должен остаться низ­ ким. Однако может быть так, что весь ток от линии отбирает одинединственный элемент, и именно этот элемент выключается. Тогда весь ток от нагрузки, на которую работает линия, должен будет перейти (распространившись вдоль линии) к другому включенному активному устройству. Это перераспределение тока между выходами активных устройств вызовет появление в линии перепадов напря­ жения, которые могут быть переданы на нагрузки, получающие сигналы от линии. Длительность этих переходных процессов в ли­ нии является функцией от распределения выходов активных уст­ ройств вдоль линии, и для удовлетворительной работы быстродей­ ствующих логических схем может потребоваться строго определен­ ное распределение. В частности, при реализации линий повышен­ ного быстродействия, для чего непременным условием является строго определенное пространственное распределение печатного монтажа, может оказаться возможной только реализация функции «исключающее ИЛИ», но не функции ИЛИ.

14.3. ТТЛ-линия

ТТЛ-линией будем для краткости называть любую линию пере­ дачи, соединяющую между собой логические ТТЛ-вентили. ТТЛлиния обладает теми же свойствами, что и обычная линия передачи, но нагрузки с обоих ее концов являются нелинейными.

14.3.1.ОТРА Ж ЕНИЯ

14.3.1.1.Длинная линия. Когда соединение между двумя ТТЛвентилями имеет такую длину, что логический перепад на выходе вентиля — источника сигнала отрабатывается раньше, чем на этот

как длинную линию. Перепады напряжения на обоих концах такой длинной линии можно вычислить, но поскольку оконечные на­ грузки ТТЛ-линии нелинейны, гораздо более простым оказывается графическое решение. На фиг. 14.10 показаны ТТЛ-линия, а также полная входная характеристика вентиля-приемника и выходные характеристики вентиля-источника при 1 и 0 на выходе. При этом предполагается, что токами утечки можно пренебречь — входная характеристика вентиля-приемника и выходная характеристика вентиля-источника при 1 на выходе совпадают с правой полуосью напряжения. Точка А соответствует устойчивому состоянию при 0 на выходе вентиля-источника, а точка В — устойчивому состоянию при 1 на выходе вентиля-источника. Предполагая, что волновое