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

ном и том же направлении. Был изготовлен ряд плат с рисунком, показанным на фиг. 15.2. На такой плате имеется 30 параллельных проводников с шагом 1,27 мм, а контактные площадки удлинены с тем, чтобы имитировать влияние случайного распределения кон­

тактных площадок у реальных печатных плат. Эти эксперименталь­ ные платы были изготовлены трех видов: с одинаковым рисунком межсоединений на каждой стороне, с проводниками на одной сто­ роне и нетронутой медной фольгой на другой и с проводниками на обратной стороне, идущими перпендикулярно проводникам лицевой стороны (фиг. 15.3). Проводники нескольких плат соединялись между собой при помощи тонких перемычек, так что результирую­ щая длина электрических цепей достигала 1000 мм.

Первая серия испытаний одиночного проводника, расположен­ ного в середине лицевой стороны платы, дала значение волнового сопротивления 103 Ом для плат со сплошной землей на обратной стороне и весьма близкие к этой цифре значения волнового сопро­ тивления для плат с проводниками на обратной стороне. Провод­ ники обратной стороны были подключены к выходам ТТЛ-венти- лей, причем вентили для соседних проводников располагались на противоположных концах платы и вентили на одном конце платы имели одно и то же логическое состояние (0 или 1). «Выходные» концы проводников обратной стороны платы не были замкнуты на какую-либо нагрузку, т. е. находились в условиях холостого хода.

При всех испытаниях линии получали возбуждение от универ­ сального генератора сигналов. Выходные характеристики прохо­ дивших испытания ТТЛ-вентилей (серий 1 и 2) были точно изме­ рены. Во всех случаях картина отражений совпала с предсказан­ ной теорией.

Было обнаружено также, что до 75% проводников с обратной стороны платы можно удалить без какого-либо заметного воздейст­ вия на отражения или волновое сопротивление, измеряемые методом варьирования нагрузок на концах линий.

15.3.Экспериментальное исследование перекрестных наводок в пла­ тах с большим числом проводников

15.3.1.СВЯЗЬ М Е Ж Д У ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ И И ТЕОРЕТИЧЕСКИМИ РЕЗУЛЬТАТАМ И

Те же платы, на которых проводились измерения волнового со­ противления и отражений, были затем использованы для измерения перекрестных наводок в разнообразных сочетаниях большого числа проводников.

При первой серии испытаний, относившихся в каждом случае всего лишь к двум проводникам, была подтверждена применимость теории микрополосковых линий к печатным платам с проводниками на обратной стороне, параллельными или перпендикулярными проводникам лицевой стороны и соединенными, как описано в подразд. 15.2.2. При этих первых испытаниях было установлено также, что в качестве эквивалентной замены ТТЛ-вентилей, находящихся

Фи г . 15.4. Часть печатного монтажа экспериментальной платы с просветом меж­ ду проводниками от 0,25 до 1 мм.

в состоянии 0, при возбуждении «обратных» проводников можно было бы использовать резисторы 10 Ом. Влияние различий в ши­ рине проводников и в расстояниях между ними проверялось на платах, имевших группы проводников шириной 0,127, 0,254 и 0,381 мм при шаге 0,635 мм и группы проводников шириной 0,254, 0,381 и 0,635 мм при шаге 1,27 мм (фиг. 15.4).

15.3.2. СИСТЕМА УСЛОВНЫ Х О БО ЗН А Ч ЕН И Й

Когда речь идет о наводках всего между двумя линиями, ника­ кой неопределенности нет: линии называются «воспринимающая» и «сигнальная», а относительное расположение их концов — «сиг­ налы в фазе» и «сигналы в противофазе». Но когда рассматриваются наводки между большим числом линий (проводников), прямое описа­ ние условий эксперимента становится слишком громоздким, и по­ этому для различных возможных здесь сочетаний была выработана специальная система упрощенных обозначений. Для всех сочетаний большого числа проводников испытания проводились только при сигналах в противофазе. При этом литеры S и Р обозначают соответ­ ственно сигнальную и воспринимающую линии. Линия, у которой вентиль на входе находится в состоянии 1 (по выходу), обозначается литерой Н, а линия, у которой этот вентиль находится в состоянии 0,— литерой L. Те же литеры, но строчные (h и I) относятся соответ­ ственно к линиям, которые удерживаются в состояниях 1 и 0 вен­ тилями, включенными не на началах, а на концах линий. Линии, у которых состояние 0 задается резистором на входе, обозначаются а, а линии, у которых это состояние задается резистором на вы­ ходе,— Ь. Обозначение Е относится к линии, заземленной на обоих концах.

Записывая соответствующие буквенные обозначения в том по­ рядке, в котором идут проводники, можно описать систему любой сложности. Одной колонкой букв обозначаются проводники на пла­ те, имеющей с обратной стороны заземляющую плоскость, а также на плате, у которой проводники обратной стороны идут перпенди­ кулярно проводникам лицевой стороны. Проводники на плате, рас­ положенные параллельно с обеих сторон, обозначаются двумя колонками букв. В случаях, когда расположение проводников пов­ торяется к краям платы, используются тире. Таким образом, ранее уже рассмотрены случаи

с р S P S P

’ - H I L h H I L — и - Е Е Е Е — '

Результаты всех испытаний были приведены к случаю SP в том смысле, что для каждого сочетания проводников определялась постоянная Кс> на которую следует умножить постоянную Кв, чтобы предсказать значение перекрестных наводок для заданной конструкции печатной платы,

15.4. Фактические значения перекрестных наводок в платах с боль­ шим числом проводников

15.4.1.ВЛИЯНИЕ ЛИНИЙ, СОСЕДНИХ С СИГНАЛЬНОЙ И ВОСПРИНИМАЮЩЕЙ

Первыми будут рассмотрены случаи, когда сигнальная и воспри­ нимающая линии находятся в середине группы линий, не испыты­ вающих переключений.

У платы со сплошной землей на обратной стороне линия в со­ стоянии логической 1, лежащая с любой стороны от сигнальной и воспринимающей линий, оказывает на наводки весьма малое влия­ ние, так что сочетание HSPH можно рассматривать как имеющее Кс = 1 • Линии в состоянии 0, лежащие по любую сторону от рассмат­ риваемой пары линий, значительно снижают величину наводок, если вентили-источники переключаемых линий находятся со «вход­ ного» конца системы: для сочетания LSPL К с = 0,6. Заземление пары проводников, лежащих возле рассматриваемой пары, снижает вели­ чину наводок вдвое: для ESPE К с = 0,5.

На платах, у которых проводники на обеих сторонах идут па­ раллельно, наводки между проводниками одной стороны зависят от того, получают ли проводники другой стороны питание от вентилей, находящихся на входном или на выходном конце платы. Когда все проводники «обратной» стороны удерживаются в состоянии 0 вен­ тилями, находящимися на входах этих проводников, наводки лишь ненамного больше, чем для платы с заземляющей плоскостью, но когда проводники «обратной» стороны (не испытывающие переклю­ чений) получают питание от вентилей, находящихся на выходах этих проводников, наводки увеличиваются примерно на 50%.

Значения Кс для случаев одной сигнальной и одной восприни­ мающей линий, находящихся в группе проводников, параллельно идущих с обеих сторон платы, изменяются

от 1,0 для случая _ ь т ь ь _ до 0,6 для случая - .

15.4.2.ВЛИЯ НИЕ БОЛЬШОГО ЧИСЛА ОДНОВРЕМ ЕННО ПЕРЕ КЛЮ ЧА Е М Ы Х СИГН АЛЬНЫ Х Л ИНИЙ

Чем больше сигнальных линий находится по соседству от вос­ принимающей, тем больше наводки, вплоть до максимума, соответ­ ствующего одновременному переключению примерно десяти линий; при этом максимуме К с ~ 3. Было установлено, что для групп, в которых больше шести сигнальных проводников, эксперименталь­ ные результаты получаются сомнительными, так как небольшие различия в характеристиках измерительных зондов и в быстродей­ ствии вентилей-источников приводят к противоречивым результа­ там последовательных измерений. Цифра 3 для группы из 10 проводников является наибольшим значением, полученным в эк­

224 Глава 15

вперемежку. Не обнаруживается сколько-нибудь заметного разли­ чия между случаями, когда на проводник, расположенный прямо по обратную сторону от воспринимающей линии, подаются сигналы

М ЕЖ Д У СИГНАЛЬНОЙ И ВОСПРИНИМАЮЩЕЙ ЛИНИЯМИ

Когда между сигнальной и воспринимающей линиями находятся проводники, не испытывающие переключений, эти проводники вы­ зывают уменьшение наводок, если воспринимающая линия имеет состояние 0, и оказывают лишь малое влияние, если воспринимаю­ щая линия имеет состояние 1.

Непереключаемые линии, удерживаемые в состоянии 0 венти­ лями-источниками, расположенными на входах этих линий, обес­ печивают очень хорошее экранирование. Линии, которые удержи­ ваются вентилями, расположенными на входах этих линий, в сос­ тоянии 1, а также линии, удерживаемые в состоянии 0 вентилями, расположенными на выходах этих линий, оказывают меньшее влия­ ние, а линии, удерживаемые вентилями, расположенными на вы­

Если две непереключаемые линии проходят между сигнальной и воспринимающей линиями, экранирующее влияние возрастает. Если две непереключаемые линии различаются по фазе или состоя­ нию работающих на них вентилей, получающееся экранирование в большой степени зависит от состояния линий, соседних с сигналь­ ными линиями:

—bS L h P h L S b — К с

— bbbbbbbbb — 0,7

— bS h L PL h S b —

0,9

—bbbbbbbbb —

Втабл. 15.1 сведены значения Кс для ряда сочетаний провод­ ников, наиболее часто встречающихся в реальных конструкциях печатных плат. В случаях когда проводники обратной стороны

2 2 8 Глава 15

помехи и целесообразность ее использования в быстродействующих системах остается под вопросом. В большинстве случаев переход от других схемных элементов к ТТЛ ИС осуществляется через ак­ тивные схемы преобразования логических уровней, чем исключается необходимость в схемах «монтажное ИЛИ» и также обеспечивается малая длительность фронтов. Поэтому теперь не может быть веских причин проектировать системы, у которых цепи, проходящие через ответные панели, работают с отрицательной логикой.

Для большинства цифровых радиоэлектронных систем имеется возможность еще при проектировании исключить значительную часть вредных перекрестных наводок путем целесообразного распре­ деления проводников на ответных панелях по отдельным группам. Во многих цепях можно предусмотреть стробирование сигналов, а если возникнут трудности из-за наводок со стороны стробирующих сигналов, то обычно их цепи можно специально экранировать от остального монтажа.

15.6.Перекрестные наводки при проводном монтаже

Когда впервые встал вопрос об использовании печатного мон­ тажа на ответных панелях, некоторые инженеры возражали против этого на том основании, что необходимое здесь упорядоченное рас­ положение проводников может приводить к недопустимо высоким перекрестным наводкам.

Для выяснения того, насколько велики могут быть перекрестные наводки при проводном монтаже, проводились разнообразные исследования. В наиболее полной серии испытаний из известных автору измерения проводились на гнездовых разъемах с расстоя­ нием между контактами 3,7 мм. Разъемы были соединены между собой проводами 7/0076 PTFE в изоляции, причем между каждой парой контактов проходила пара проводов. Разъемы были смонти­ рованы на плате из плакированного медью стеклотекстолита, кото­ рая являлась общей землей для всей системы, а провода плотно укладывались на поверхности платы, но не прикреплялись к ней. Главным выводом из этой серии экспериментов был тот, что пере­ крестные наводки при проводном монтаже непредсказуемы, а ре­ зультаты измерений противоречивы. Единственным исключением был случай, когда все провода плотно увязывали в один жгут; в этом случае результаты отдельных измерений лучше согласовыва­ лись между собой, но рассчитать уровень наводок за сколько-ни­ будь приемлемое время не удавалось, и этот уровень, по всей види­ мости, оказывался недопустимо большим уже при длине проводов больше 300 мм. Хотя результаты измерений в этой системе провод­ ного монтажа изменялись при любом прикосновении к тому или иному проводу, в целом даже лучшая из замеренных величин наво­