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

Фи г . 14.10. ТТЛ-линия и импедансы на ее концах.

сопротивление линии равно 100 Ом, можно выполнить графическое построение фиг. 14.11 таким же способом, как это было сделано на фиг. 14.7 (подразд. 14.2.2.3). На этой фигуре точки С и £ пока­ зывают амплитуды двух первых фронтов импульсов на входе линии при выключении вентиля-приемника, а точка D — амплитуду соот­ ветствующего фронта импульса на выходе линии. Поскольку выход­ ное сопротивление вентиля-источника при 1 на его выходе, принятое для данного построения, согласовано с волновым сопротивлением линии, на выходе линии имеется только один фронт импульса. Точки F и Н показывают амплитуды двух первых фронтов импуль­ сов на входе линии при включении вентиля-приемника, а точки G

14.3.1.2. Линия критической длины. Как уже сообщалось в разд. 14.2, длину линии называют критической в том случае, когда за­ держка в ней равна половине времени нарастания импульса на выходе вентиля-источника, так что все импульсы напряжения в линии критической длины имеют такую же амплитуду, как и им­ пульсы в длинной линии, но отсутствует задержка между импуль­ сами. Поскольку редко бывает так, чтобы на выходе вентиля дли­ тельности передних фронтов были равны длительностям задних,

//

Вход линии

//

Выход линии

Фи г . 14.12. Типичные формы сигналов в ТТЛ-линии.

то «критическими» длинами линий будут считаться длины, лежащие в некотором интервале, причем для некоторых передних и задних фронтов будут иметь место полные по амплитуде отражения, а для некоторых, более длинных, отраженные импульсы не будут дости­ гать полной амплитуды.

14.3.1.3. Короткая линия. Когда длина проводника меньше «критической», амплитуда выбросов на плоских частях импульсов линейно стремится к нулю по мере того, как приближается к нулю длина проводника (фиг. 14.8). Поскольку критическую длину нельзя точно установить, трудно определить сколь-либо точно и амплитуду отражений в короткой линии — для нее возможны лишь приближенные оценки.

14.3.2. А М П Л И Т У Д Ы И М П У Л ЬС О В

14.3.2.1. Выключение вентиля-приемника. Из фиг. 14.11 видно,

что амплитуда первого фронта импульса на входе линии при выклю­ чении вентиля-приемника может быть близка к порогу переключе­ ния по входу этого вентиля. Это означает, что для вентиля, полу­ чающего переключающие импульсы от другого вентиля, который

одновременно с этим работает на длинную линию, переключение нельзя гарантировать до того момента, когда на вход линии вер­ нется первый отраженный фронт импульса. Иными словами, реаль­ ная задержка распространения увеличится на удвоенное значение задержки в линии. Амплитуда первого фронта импульса зависит от волнового сопротивления линии, от выходного сопротивления вен­ тиля-источника при 1 на его выходе и от фактического коэффициента разветвления (числа вентилей, на которое фактически работает вентиль-источник). На фиг. 14.13 показано, что при повышении

Фи г . 14.13. Влияние нагрузки на амплитуду первого импульса на входе линии при выключении вентиля-приемника.

фактического коэффициента разветвления амплитуда первого фронта импульса увеличивается за счет увеличения тока в линии, а также за счет увеличения установившегося значения уровня 0 в линии.

В большинстве практических случаев выходную характери­

амплитуда первого фронта импульса.

В примере, показанном на фиг. 14.11, выходное сопротивление вентиля-источника равно волновому сопротивлению линии. На фиг. 14.14 аналогичное графическое построение проведено для слу­ чая (при вентиле серии 2), когда выходное сопротивление вентиляисточника при 1 на его выходе значительно меньше, чем волновое сопротивление линии. При этом амплитуда первого фронта им­

в установившемся состоянии, но амплитуда первого фронта им­ пульса на выходе линии будет заметно больше 1 в установив­ шемся состоянии. Большой будет и амплитуда второго фронта им-

Ф и г. 14.14. Выброс при выключении вентиля-приемника (вентиль серии 2).

пульса на входе линии. При пренебрежимо малых токах утечки она будет фактически такой же, как амплитуда фронта импульса на выходе линии. Последующие отражения в линии будут посте­ пенно действовать так, что напряжение в линии будет приближаться к нормальному уровню 1. Эти отражения нельзя изобразить в сколь­ ко-нибудь приемлемом масштабе, а время, требующееся для уста­ новления в линии нормального напряжения, лучше всего опреде­ лить по значениям сосредоточенной емкости в узле и токов утечки.

Получающийся в результате описанного здесь переходного про­ цесса выброс на уровне 1 с последующим медленным возвращением амплитуды импульса к нормальному уровню нередко заставляет инженера, работающего с осциллографом, подозревать неисправ­ ность в щупе осциллографа или в электронном коммутаторе верти­

кального усилителя; это очень похоже на то, как выглядит прямо­ угольное напряжение при наблюдении на осциллографе с закрытым входом.

Эти чрезмерно высокие уровни 1 не повредят вход вентиля, ибо, как только какой-либо вход вентиля приближается к точке пробоя, сразу возникает повышенный ток утечки, разряжающий линию до безопасного уровня напряжения. Тем не менее желательно избегать этих повышенных уровней 1, так как они могут приводить к увели­ чению времени включения вентилей, а перекрестные наводки, воз­ можно, еще больше увеличат выбросы напряжения в линии, так что через входы вентилей будут протекать чересчур высокие токи. Выбросы на уровне 1 будут меньше, если сделать малым волновое сопротивление линии (фиг. 14.14). Однако эта мера приводит одно­ временно к уменьшению амплитуды первого фронта импульса на входе линии. Увеличение фактического коэффициента разветвления приводит как к повышению амплитуды первого фронта импульса, так и к уменьшению амплитуды выброса на втором фронте импульса.

Амплитуда первого фронта импульса на выходе линии всегда будет близка к установившемуся уровню 1 (или превышать его), так что правильное переключение вентиля-приемника гарантиро­ вано.

14.3.2.2. Включение вентиля-приемника. Из фиг. 14.11 видно, что во время включения вентиля-приемника амплитуда первого фронта импульса на обоих концах линии оказывается много мень­ шей нормального порога переключения по входу этого вентиля. «Опасной точкой» (J) во время включения является первое отраже­ ние на выходе линии: амплитуда этого, фронта импульса прибли­ жается к порогу переключения. Изменения фактического коэффи­ циента разветвления и волнового сопротивления линии оказывают на амплитуду фронта этого отраженного импульса лишь незначитель­ ное влияние, как это видно из фиг. 14.15. Наибольшее влияние из­ менение коэффициента разветвления оказывает на амплитуду на­ чального отрицательного выброса (точка G на фиг. 14.11).

На величину отрицательного выброса оказывают влияние также импеданс диода коллектор — подложка у входного транзистора вентиля, а также входные фиксирующие диоды (если они имеются в НС). На фиг. 14.16 приведены значения амплитуды отрицатель­ ного выброса (Z0=100 Ом) при фиксировании входного напряжения на уровне около 1 В, а также при наличии только высокоимпедансного диода коллектор — подложка, ограничивающего отрицатель­ ный выброс. Хотя значения амплитуды отрицательного выброса весьма различны, амплитуда положительного выброса (точка J)

зистора вентиля-источника воспринимать ток, вытекающий из входа вентиля-приемника при 0, на амплитуду положительного фронта

отраженного импульса на выходе линии. Характеристика очень плохого выходного транзистора показана пунктиром, а отраженный фронт импульса при волновом сопротивлении линии 100 Ом — точ­ ками.

Необходимо отметить, что во всем данном разделе для иллюстра­ ции приводились характеристики вентилей, отличающиеся от реаль­ ных: они изображались несколько искаженными (особенно в квад­ рантах, соответствующих отрицательному напряжению) с тем, чтобы подчеркнуть нормально существующие отражения.

14.4. Перекрестные наводки

14.4.1.ОБЩ ЕЕ О П РЕ Д Е Л Е Н И Е

Перекрестными наводками называются сигналы помехи, наводи­ мые в линиии передачи вследствие наличия сигнала в соседней ли­ нии передачи. Простейшим случаем являются две «длинные» парал­ лельные линии, нагруженные на сопротивления, равные их волно­ вым сопротивлениям, причем одна из линий получает сигнал от идеального генератора, дающего на выходе импульс с амплитудой 2Е. Линия, на которую подается сигнал от генератора, называется сигнальной, а вторая линия — воспринимающей (фиг. 14.17).

14.4.1.1. Обратная наводка. Когда на входе А сигнальной линии действует фронт импульса, имеющий амплитуду Е, на вход С вос­ принимающей линии наводится фронт такой же формы, имеющий амплитуду К ВЕ. Коэффициент Кв называется постоянной обратной наводки; его значение зависит от геометрии системы. Значения Кв для печатных проводников шириной 0,25—0,62 мм, нанесенных на плате из обычного материала G10, приведены на фиг. 14.18 для раз­ личных толщин диэлектрика и расстояний между краями провод­ ников.

В воспринимающей линии протекает ток К в1=КвЕИй, направ­ ление которого обратно направлению тока I в сигнальной линии. Когда импульс этого наведенного тока достигает конца восприни­ мающей линии в точке D, появляется отраженный фронт импульса,

направлении (к входу воспринимающей линии). Через время, рав­ ное удвоенной задержке в линии 2Т, этот импульс гасит напряже­ ние в точке С до нуля.

Если импульс сигнала имеет время нарастания t TLH, то общая длительность импульса в точке С равна 2T + t TLH. В точке D изме­ нения потенциала нет, а в точках между С и D можно наблюдать импульс амплитудой КвЕ, длительность которого находится в пре­ делах между 0 и 2 T + trLH в зависимости от расстояния от точки D.

Ьо

i ___ /

\ Сигнал,отраженный отд .

При уменьшении длины линии амплитуда наведенного импульса остается постоянной и равной КвЕ, а длительность импульса падает и, наконец, при критической длине линии импульс в точке С приоб­ ретает треугольную форму с амплитудой КвЕ и длительностью 2tTLH. В промежуточных точках воспринимающей линии крити­ ческой длины как амплитуда, так и длительность импульса линейно падают вдоль линии.

В линиях, имеющих длину меньше критической, обратная по­ меха будет проявляться в точке С в виде треугольного импульса, имеющего амплитуду значительно меньше КвЕ (тем меньше, чем короче линия по сравнению с Lcr).

Следует отметить, что импульс, наведенный в воспринимающей линии, будет оказывать некоторое влияние и на сигнальную линию. Однако это влияние весьма мало и для обычных ТТЛ-линий им вполне можно пренебречь.

к _ 0,1778 \ 0,625

Медь

Толщина диэлектрика, мм

Фи г . 14.18. Постоянная обратной наводки для плат из материала G10.

14.4.1.2. Прямая наводка. Если печатные проводники полностью погружены в диэлектрический материал, то обратная наводка будет единственной помехой, наводимой в воспринимающей линии. По­ скольку, однако, на обычных печатных платах диэлектриком частично является материал платы (эпоксидный стеклопластик), а частично воздух, то в проводниках, лежащих на поверхности платы, могут распространяться сигналы двух видов — дифферен­ циальные и синфазные. Под дифференциальным распространением понимается распространение между двумя проводниками, а под