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

док была лишь немногим меньше, чем в печатных платах с расстоя­ нием между проводниками 1,25 мм, а в некоторых случаях наводки были на 20% выше, чем в печатных платах. Тот бесспорный факт, что немалое число радиоэлектронных систем успешно работает, хотя весь монтаж в них проводной, убедительно доказывает, что в зна­ чительном большинстве цифровых систем всегда имеется возмож­ ность тем или иным способом компенсировать влияние наводок и других нежелательных явлений, и даже в системе очень большого размера, возможно, лишь 10—20 цепей являются действительно критическими с точки зрения наводок.

15.7. Критическая длина воспринимающих линий

В подразд. 14.4.3.4 указывалось, что паразитные колебания

всигнальной линии вызывают большое число паразитных сигналов

ввоспринимающей линии, и чтобы найти полную картину наводок, надо оценить и сложить между собой все эти паразитные сигналы. Если длина сигнальной линии меньше чем 1,5 критической длины, этого утомительного процесса вычисления наводок от всех отраже­ ний в сигнальной линии можно избежать, приняв во внимание, что

при положительном сигнале (фиг. 14.11—14.14). Наводки при отрицательном сигнале надо рассчитывать, как описывалось выше, но для положительного сигнала можно допустить, что влияние паразитных колебаний (вследствие отражений) на сигнальной ли­ нии таково, что фронт сигнала затягивается, и для сигнальной ли­ нии критической длины скорость нарастания сигнала на выходе вентиля-источника уменьшается вдвое, а для сигнальной линии длиной в 1,5 критической длины эта скорость становится втрое меньшей, чем скорость переключения самого вентиля. Это умень­ шение скорости нарастания сигналов приводит к тому, что дейст­ вующее значение критической длины воспринимающей линии уве­ личивается, таким образом можно просто вычислить наводки от сигнала с увеличенной длительностью фронта, а влиянием всех отражений пренебречь.

16

Конструирование печатных плат для ТТЛ ИС

16Л. Размещение ИС

16.1.1.РАСПОЛОЖЕНИЕ М О НТАЖ НЫ Х ОТВЕРСТИЙ

Выбор размера платы для монтажа ИС отчасти относится к меха­ ническому конструированию системы, а отчасти — к электронному (подразд. 18.2.2.2). В вопросе о расположении монтажных отверстий под выводы ИС тоже сочетаются обе стороны конструирования.

A A A A A A A f i © М А А А А А А

W ?O T W @ W w w w w

Фи г . 16.1. Монтаж корпусов ИС с 14, 16 и 24 выводами на плате со стандартным шагом отверстий и расстоянием между рядами 7,6 мм.

В части, относящейся к механическому конструированию, вопрос рассмотрен в книге Printed Circuit Boards for Microelectronics.

В большинстве случаев наиболее целесообразно использовать двусто­ ронние печатные платы с расположением проводников по принципу прямоугольной координатной сетки и с размещением корпусов ИС правильными рядами (фиг. 15.1). Если надо применить схемы средней степени интеграции, у которых корпуса с двухрядным расположе­ нием выводов имеют увеличенные размеры, то рисунок монтажа, фотошаблон и сверловка монтажных отверстий упрощаются, когда расстояние между центрами отверстий в соседних рядах принимает­ ся равным 7,6 мм, а расстояние между центрами отверстий в одном ряду принимается равным 2,54 мм. В этом случае выводы корпусов

а корпуса с 24 и большим числом выводов занимают три соседних ряда (фиг. 16.1). Расстояния между торцами корпусов можно из­ менять в зависимости от того, какие конкретно ИС надо раз­ местить на данной плате.

16.1.2.ШИРИНА ПРОВОДНИКОВ И ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Механические факторы, определяющие выбор ширины провод­ ников и диаметра контактных площадок, рассмотрены в книге Prin­ ted Circuit Boards for Microelectronics, где показано, что ширина проводников почти всегда должна лежать в пределах между 0,13 и 0,5 мм. Из фиг. 14.1 видно, что для проводников такой ширины волновое сопротивление будет в пределах 100—145 Ом для двусто­ ронней платы толщиной 1,6 мм и в пределах 75—100 Ом для платы

свнутренним земляным слоем. Как видно из фиг. 14.11—14.16, такой диапазон волновых сопротивлений вполне приемлем для плат

сТТЛ ИС. Если необходимо использовать ТТЛ ИС серии 2, то для уменьшения выбросов на фронтах импульсов следует избегать боль­ ших волновых сопротивлений (фиг. 14.14). С другой стороны, при слишком малых волновых сопротивлениях сигналы на входах линий могут иметь недопустимо малую амплитуду.

При выборе ширины проводников необходимо принять во вни­ мание, что один логический вентиль может работать на две или более линий, включенные параллельно. Если при этом используются линии с малым волновым сопротивлением, то на фронтах сигналов будет возникать несколько отражений, и выделяемая в вентилях мощность возрастает. Поэтому следует по возможности избегать применения линий с волновым сопротивлением меньше 100 Ом.

16.1.3.МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМАЯ Д ЛИ НА ПРОВОДНИКОВ, ГАРАНТИРУЮЩАЯ ЗАДАННУЮ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ

Максимально допустимая длина параллельно идущих провод­ ников, при которой паразитные наводки не превышают заданных, зависит от значений Кв и Кс- В случаях когда наводимые сигналы имеют малую длительность (примерно 10 нс и менее), запасы по­ мехоустойчивости по переменному току для логических вентилей могут быть рассчитаны (подразд. 9.4.5).

16.1.3.1. Допуски по помехоустойчивости. Как указывалось в подразд. 9.4.2, максимально допустимая величина помехи для ТТЛ-вентилей в наихудшем случае равна 0,35 В, а практически для «цепочки» вентилей она может быть 1,25 и даже 1,35 В. Если кон­ струировать плату с расчетом на наихудший случай с точки зрения допустимых помех, то получится слишком малая максимальная длина проводников, если же принять «среднестатистические» циф­

делия. В конечном счете ответственность за выбор максимально допустимого напряжения помехи ложится на разработчика (или ру­ ководителя разработчиков), так как именно ему приходится решать, остановиться ли на неоправданно жестких допусках для наихуд­ шего случая или выбрать тот или иной компромиссный допуск. Практический опыт автора подсказывает, что можно допустить помехи большой длительности до 1 В, а помехи малой (в указанном выше смысле) длительности вообще не учитывать.

16.1.3.2. Величина наводок. Как указывалось в подразд. 14.4.3.1, величина помехи в худшем случае равна 2КвЕ, а при большом числе проводников — 2КВК СЕ.

Величина Е в худшем случае может быть примерно от 2,0 до 4 В и выше; последняя цифра относится к случаю перепада напря­ жения в вентиле серии 2 (подразд. 14.3.2.1). Решение, какую вели­ чину перепада напряжения сигнала принять при расчете, остается за инженером-разработчиком, автор обычно принимает в качестве разумного значения ЗВ.

16.1.3.3. Значения Кв- Если предположить, что максимальный перепад напряжения сигнала равен ЗВ, а максимально допустимое напряжение наводки 1 В, то легко вывести условие 6Д£/(С<;1. Как показано в гл. 15, величина Кс не должна превышать 3, а с некото­ рым запасом следует принять К с<2. Поэтому для случая одной пары

16.1.3.4. Наводки в двусторонних печатных платах. Если ис­ пользуются двусторонние печатные платы толщиной 1,6 мм, то на­ водки не вызывают неприятностей, если ширина проводников не превышает 0,5 мм при шаге 1,25 мм и приняты меры, чтобы К с была меньше единицы. Если величину Кс нельзя ограничить, то длину проводников необходимо сократить настолько, чтобы макси­ мальная величина наводок не превышала 1 В. При указанных выше размерах проводников и неограниченной величине Кс хорошим приближением для максимальной длины проводников, идущих па­ раллельно, будет 1/3 критической длины. В большинстве встречаю­ щихся на практике случаев /Сс, по всей вероятности, будет не больше 2, так что можно допустить максимальную длину параллельно идущих проводников, равную половине критической длины.

16.1.3.5.Связь между длительностью фронтов сигналов ТТЛ ИС

идлиной проводников. Длительности фронтов можно принять равными 8 нс для ИС серии 1 и 2-3 нс для ИС серии 2. При ширине

равен 1,25 мм, а значение Кс не ограничено, нельзя допускать длину

84—127 мм. Отметим, что для ИС серии 2 два значения указываются по той причине, что у ИС серии 9000 длительности фронтов больше, чем у других ИС серии 2. Поскольку помехоустойчивость вентилей произвольно принята равной 1 В, все приведенные здесь цифры сле­ дует рассматривать как приемлемые типовые значения, но не как предельные значения в расчете на наихудший случай (последние привели бы к неоправданно малым значениям предельной длины проводников).

16.1.3.6. Влияние уменьшения расстояния между проводниками.

Если монтаж на печатной плате оказывается тесным, может воз­ никнуть соблазн уменьшить расстояние между печатными провод­ никами до минимальной величины, какую только позволяет техно­ логия травления и пайки. Возможное минимальное значение равно 0,38 мм, что соответствует К в = 0,22. Когда /(с = 1, амплитуда на­ водки будет равна 1,32 В, так что длину параллельных проводни­ ков необходимо уменьшить до 520 мм для ИС серии 1 и до 130 мм для ИС серии 2. При наихудшем расположении проводников (Кс=3) эти длины будут соответственно 173 и 43 мм. Такое ограни­ чение максимальной длины параллельных проводников представ­ ляется слишком дорогой ценой за возможность уложить на плате несколько лишних проводников. Лучше попытаться осуществить

15.7 упрощением, по которому можно допустить длину восприни­ мающей линии до двух критических. Это связано с тем, что это уп­ рощение применимо только для наводок от положительных им­ пульсов.

Указанные здесь цифры можно использовать для предваритель­ ной оценки предполагаемой конструкции печатной платы, но автор настоятельно рекомендует разработчикам всякий раз вычислять по значениям длительностей фронтов у тех ИС, которые будут применены, уточненные цифры, а при выборе допуска на помехо­ устойчивость часто надо учитывать внешние условия, в которых ра­ ботает проектируемое оборудование: основные помехи зачастую создаются не внутренними наводками, а внешними источниками црмех,

16.1.4. Д РУ ГИ Е О ГРАНИЧЕНИЯ Д Л И Н Ы ПРОВОДНИКОВ

Если указанные выше критерии не приводят к ограничению длины проводников, то необходимо рассчитать временные диа­ граммы проектируемой системы с учетом задержек в линиях пере­ дачи. Как указывалось в подразд. 14.3.2.1, вентиль, стоящий на входе длинной линии, может не переключиться до тех пор, пока не пройдет время, равное удвоенному времени задержки в линии. Если нет возможности подробно рассчитать фактические временные соотношения в системе, то необходимо заранее ограничить макси­ мальную длину проводников. На двусторонней печатной плате проводник длиной 300 мм будет создавать для логического вентиля емкостную нагрузку около 18 пФ, что лишь немного больше номи­ нальной емкостной нагрузки, при которой на предприятиях, изго­ тавливающих ТТЛ ИС, обычно проводят измерения задержек рас­ пространения и скоростей переключения в логических вентилях. Для ИС серии 1 длина проводника 300 мм составляет несколько меньше половины критической длины, так что возникновение ка­ ких-либо трудностей, связанных с паразитными колебаниями, мало­ вероятно.

16.1.5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ К РИ Т ЕРИ Е В МАКСИМАЛЬНОЙ Д Л И Н Ы ПРОВОДНИКОВ

Ни один из критериев максимально допустимой длины провод­ ников не надо рассматривать как абсолютный. Конструктор печат­ ной платы должен по возможности не выходить за предельные зна­ чения длины проводников и специально отмечать все случаи, когда он вынужден, как ему кажется, превысить эти предельные значе­ ния. Затем все эти случаи необходимо тщательно проанализировать, с тем чтобы выявить, не окажет ли чрезмерная длина того или иного проводника вредное влияние на работу системы в целом. Нельзя допускать слишком длинные проводники для цепи синхронизации. Следует также проверить, что на других длинных проводниках пара­ зитные сигналы из-за наводок могут появляться лишь в те моменты времени, когда соответствующие цепи блокированы запрещающими сигналами на входах регистра и т. п. Как подсказывает практиче­ ский опыт автора, не слишком часто приходится нарушать указан­ ные выше предельные значения длин проводников (по крайней мере для ИС серии 1), а когда это случается, то очень редко бывает, что данный проводник действительно оказывается «критичным».

Ограничения по длине проводников означают также, что имеются определенные ограничения по размерам радиоэлектронной системы в целом: систему с размерами больше предельных нельзя построить без применения дополнительных магистральных усилителей, эк­ ранированных кабелей и т. п. Однако на основе проводников с максимальной длиной 300 мм можно собирать системы достаточно

больших размеров. При минимальных предосторожностях на ос­ нове двусторонних печатных плат с проводниками, имеющими максимальную длину 300 мм, можно проектировать системы, содер­ жащие несколько тысяч корпусов ТТЛ ИС; дополнительные ограни­ чения длин проводников при этом приходится вводить лишь в срав­ нительно небольшом числе случаев.

После того как выбран размер печатной платы, можно сопоста­ вить его с максимально допустимым значением длины проводников. Если сумма длины и ширины платы превышает максимально допу­ стимую длину проводника не более чем на 20—30 мм, то малове­ роятно, чтобы в плате с прямоугольным расположением проводников и случайным размещением сквозных отверстий хоть один из них оказался длиннее, чем это допустимо (подразд. 18.2.2.1). Однако этот приближенный критерий не исключает необходимости полной проверки фактической длины проводников: надо еще проверить длину цепей, идущих через ответную панель на другие печатные платы системы. В больших системах более вероятно, что максималь­ но допустимую длину превысят как раз эти цепи, а не проводники,

мера, при которых минимизируется длина проводников на кроссировочной ответной панели, а не пытаться вводить «универсальное» ограничение длины проводников для всех печатных плат.

16.2. Разводка питания и помехи по шинам питания

16.2.1.ИМПЕДАНС ЦЕПЕЙ ПИТАНИЯ

Наименьший возможный импеданс цепей питания достигается в том случае, когда корпуса ИС монтируются на многослойной пе­ чатной плате, у которой слои питания и земли разделяются ди­ электриком минимально допустимой толщины. Такую плату можно, по-видимому, изготовить из двух двусторонних плат, каждая из которых имеет толщину 0,65 мм и несет с одной стороны слой сиг­ нальных проводников, а с другой — слой земли, который можно использовать также в качестве сплошной шины питания. Однако вряд ли имеет смысл применять многослойные платы, если можно, не опасаясь паразитных наводок от помех по шинам питания, при­ менять двусторонние платы.

16.2.1.1. Разводка питания на двусторонних платах. Разводк питания и земляных цепей ко всем корпусам ИС можно осущест­ вить несколькими способами (см. Printed Circuit Boards for Micro­ electronics). Однако независимо от способа наилучшие результаты достигаются, если шины питания и земли образуют непрерывные замкнутые контуры. Автор принял за правило использовать крайние контакты торцевого разъема платы для цепей земли, а контакты ря-

Фи г . 16.2. Типовая разводка шин питания на печатной плате. Пунктиром пока­ зана трассировка проводников питания и земли с обратной стороны платы. Когда питание и земля выводятся у ИС на выводы 14 и 7, проводники питания и земля могут проходить у торцов корпусов ИС.

дом с ними — для цепей питания. По краям платы проводятся «главные шины» питания и земли, а перпендикулярно к ним и про­ дольным осям корпусов ИС проходят шины, по которым осущест­ вляется разводка питания и земли ко всем ИС. Посередине печатной платы все шины питания и земли соединяются дополнительно по­ лосками фольги (фиг. 16.2). Таким образом, любые две ИС, смонти­ рованные на плате, связаны между собой по питанию и земле боль­ шим числом цепей.

16.2.1.2. Расчетный импеданс цепей питания. Для печатных плат, у которых, как это предложено в разд. 16.1, ширина проводни-

Фи г . 16.3. Эквивалентная схема шины питания.

ков равна 0,5 мм, шаг 1,27 мм и расстояние между продольными осями располагаемых в ряд ИС 15 мм, собственная индуктивность проводника, соединяющего между собой две соседние ИС, будет около 15 нГн. Добавив сюда паразитную индуктивность выводов ИС, рамки с выводами и соединительных проволочек, получим, что полная паразитная индуктивность цепи между двумя кристаллами ИС будет около 20 нГн. Кристалл вентиля имеет емкость между ши­ ной питания и землей, равную примерно 50 пФ; для кристаллов триггеров и схем средней степени интеграции эта емкость еще больше. При расчете цепей питания в качестве значения «для худшего случая с запасом» брали величину 30 пФ.

Таким образом, как показано на фиг. 16.3, каждый участок

такой линии равно 36 Ом.

Таким образом, ИС, расположенные в первом ряду от края платы (фиг. 16.4,а), соединены параллельно двумя линиями 36 Ом, а ИС, расположенные во втором и третьем рядах (фиг. 16.4,& и с), соеди­ нены параллельно по меньшей мере одной линией 36 Ом и еще двумя линиями несколько большего волнового сопротивления. Поэтому наибольший возможный импеданс цепи питания для любой ИС равен 18 Ом.

Расчеты на основе значения 18 Ом чересчур пессимистичны, по­ скольку в них не учитывается влияние сопротивлений кристаллов ИС и проводников, приводящее к снижению волнового сопротивле­ ния линий и увеличению демпфирования их. Кроме того, не учи­ тывается паразитная емкость печатных проводников, а также тот

факт, что для некоторых ТТЛ ИС проводники питания и земли располагаются на плате на близком расстоянии.

Для питания с собственной индуктивностью 40 нГн и емкостью 30 пФ расчет дает задержку на один каскад 1,1 нс и собственную резонансную частоту около 150 МГц. Таким образом, можно ожи­ дать, что выбросы напряжения на шине питания, вызванные пере­ ключениями тока в ТТЛ-вентилях, будут иметь длительность около

7 нс.

а

Ъ

с

Фи г . 16.4. Параллельная подводка питания к корпусам ИС.

16.2.2.ВЫ БРОСЫ Н А П РЯ Ж Е Н И Я

16.2.2.1. Максимальная амплитуда выброса тока при переклю­ чении схемы. В технических условиях на ТТЛ ИС максимальная амплитуда выброса тока не оговаривается, так что полностью обо­ снованный расчет «на худший случай» произвести нельзя. Измере­ ния показывают, что в типичных случаях амплитуда выброса тока равна 1/3 тока короткого замыкания по выходу, оговариваемого для данной ИС, при условии, что на выходе не включена большая емкостная нагрузка (фиг. 10.1). Поскольку для ИС серии 1 номи­ нальное значение тока короткого замыкания по выходу / 0s= 55 мА (для некоторых СИС и триггеров I os= 57 мА), а для ИС серии 2 l o s —100 мА, можно с достаточной уверенностью предположить, что величина выбросов тока не будет превышать 18 и 33 мА соответ­ ственно. Практические измерения показали, что и эти значения взяты с очень большим запасом.

16.2.2.2. Выбросы напряжения (при расчете на худший случай).

Выброс тока амплитудой 18 мА при импедансе источника 18 Ом даст для вентиля серии 1 выброс напряжения на шине питания 324 мВ, а для вентиля серии 2 выброс тока 33 мА даст соответст­ венно выброс напряжения 595 мВ (в обоих случаях взяты наихуд­ шие возможные значения). Измерения, проведенные на цифровой