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

системе, собранной из 13 печатных плат со средним числом ИС на плате 44 и с разводкой питания, выполненной согласно сделанным выше рекомендациям, показали, что эти цифры действительно сле­ дует рассматривать как «значения на худший случай с запасом». Для системы в целом никакой развязки цепей питания сделано не было, на платах были смонтированы в случайном порядке ИС серий 1 и 2, полученные от четырех разных поставщиков. Во время испыта­ ний одновременно переключались до 48 вентилей, из них 12 нахо-

Ш/делениешт

10нс/деление шкалы

Из серии 1

10 нс/деление шкали

Из серии 2

Фи г . 16.5. Выбросы напряжений на шинах питания у двусторонних плат, рассчитанных на 49 корпусов ИС без дополнительной развязки.

дились на одной и той же плате и 11 в одном и том же ряду. Факти­ ческие амплитуды выбросов напряжения на шинах питания в боль­ шинстве случаев не превышали 200 мВ, примерно в 90% случаев не превышали 300 мВ и лишь в отдельных случаях достигали ве­ личины около 1 В. При этом следует иметь в виду, что броски ампли­ тудой до 1 В были получены в системе, не имеющей развязок по цепям питания и собранной специально для оценки помех по шинам питания; эти выбросы явились результатом одновременного пере­ ключения нескольких вентилей серии 2. Фактические цифры для печатных плат, находящихся в серийном производстве, см. в

подразд. 16.3.3.

На фиг. 16.5 изображены осциллограммы для самых больших выбросов напряжения, полученных в этой серии измерений; две верхние осциллограммы относятся к шинам питания вентилей серии 1, две нижние — к шинам питания вентилей серии 2. В табл. 16.1 и 16.2 приведены данные измерений для двух плат из этой же цифро­

вой системы, на входы которых подавались импульсные последо­ вательности, вызывающие на шинах питания самые большие по амплитуде и (или) длительности выбросы напряжения.

16.2.3. ВЛИЯ НИЕ ВЫБРОСОВ Н А П РЯ Ж Е Н И Я НА ШИНАХ ПИТАНИЯ

'н а ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ

Если плата сконструирована с таким расчетом, что на работу размещенной на ней схемы не влияют наводки, вызываемые полным перепадом логических уровней на выходе любого вентиля, то влия­ нием выбросов напряжения на шинах питания, вызываемым связью между проводниками платы, на логические сигналы можно пре­ небречь. При этом наряду со связью между соседними проводни­ ками необходимо учитывать и связь внутри ИС, вызывающую появ­ ление выброса напряжения на шине питания. Такая связь может иметь место между шиной питания и выходом переключающегося (вызывающего броски на шине питания) вентиля, а также между шиной питания и выходом другого, непереключающегося вентиля, расположенного в одном корпусе с переключающимся вентилем.

В последнем случае непереключающийся вентиль может нахо­ диться во включенном или выключенном состоянии (по выходу). Если вентиль включен, его главный выходной транзистор Т ъ удер­ живает потенциал на выходе на уровне потенциала земли, и при этом, поскольку Ti выключен, выход будет иметь связь с шиной питания через паразитную емкость транзистора Г 4, которая, как указывалось в подразд. 3.1.4, имеет величину около 4 пФ. При тех частотах, на которых работает ТТЛ-вентиль, эта емкость представ­ ляет импеданс свыше 100 Ом, так что помеха на выходе будет во всяком случае меньше 10% от выброса напряжения на шине пита­ ния, т. е. не более 33 мВ для вентилей серии 1 и не более 60 мВ для вентилей серии 2.

Когда вентиль выключен, Т 4 проводит ток, но не насыщен и работает как эмиттерный повторитель. Вследствие этого будет от­ сутствовать сколько-нибудь значительная связь выхода с шиной питания через Г 4 и, как выяснено в подразд. 9.4.3, возможной связью через R 2 и D 3 (или Т3) можно пренебречь. Таким образом, остается только непосредственная связь через паразитные емкости. Как указывалось в подразд. 3.1.4, эти емкости нетрудно измерить, но измерения величины коэффициента связи, произведенные при помощи специально генерируемых импульсов, показали, что в худ­ шем случае можно ожидать величины коэффициента связи 50%, что приводит к значению максимальной помехи 163 мВ для вентилей серии 1 и 300 мВ для вентилей серии 2 (считая величины выбросов напряжения на шинах питания по-прежнему «на худший случай С запасом»),

Таблица 16.1

Выбросы напряжений на шинах питания при выключении логических вентилей на плате с ИС серии 1. Дополнительной развязки нет. Измерения проводились относительно точки земли на торцевом разъеме платы (все значения даны в милливольтах)

ток через него будет определяться сопротивлением R t. У вентилей серии 1 резистор R i обычно имеет номинальное значение сопротив­ ления 150 Ом, а у вентилей серии 2—80 Ом. За время переходного процесса выключения вентиля Т 3 успевает выйти из насыщения, но его динамическое сопротивление остается еще неопределенным. В начале этого процесса динамическое сопротивление между выход­ ной клеммой и землей не превышает 80 Ом, так что «пролезание» выброса напряжения на выход приводит к помехе не более 50% от амплитуды выброса. По мере увеличения потенциала на выходе помеха растет, и так продолжается вплоть до выхода Т4 из насыще­ ния. Вследствие связи шины питания с выходом вентиля на фронте выходного импульса могут появляться паразитные колебания, но, хотя фронт может быть заметно «изрезан» как раз возле порога срабатывания следующего вентиля по выходу, амплитуда и дли­ тельность этих паразитных колебаний всегда настолько малы, что они не приводят к ложным срабатываниям следующего вентиля.

Связью между шиной питания и выходом вентиля при его вклю­ чении вообще можно пренебречь, так как возникающие при этом помехи очень малы.

Подводя итог, можно считать, что в худшем случае помеха на выходе вентиля, возникающая как следствие выбросов напряжения на шине питания, при 0 на выходе не превышает 33 мВ для вентилей серии 1 и 60 мВ для вентилей серии 2, а при 1 на выходе 162 мВ для вентилей серии 1 и 300 мВ для вентилей серии 2.

Когда одновременно переключаются два вентиля, расположен­ ные на одном и том же кристалле ИС, вызываемый этим выброс напряжения на шине питания будет, как правило, приблизительно вдвое больше, чем указывалось выше для случая переключения одного вентиля. Это объясняется весьма близким совпадением пара­ метров у двух вентилей, формируемых на общем кристалле, а также тем, что при одновременном поступлении сигналов на их входы раз­ личие в моментах появления выходных сигналов не будет превы­ шать 1—2 нс. Но в тех случаях когда сигналы поступают в одно и то же время на несколько вентилей, расположенных в разных корпусах ИС, получающих питание от общей шины, обычно ока­ зывается, что результирующий выброс напряжения на шине меньше суммы выбросов от каждого вентиля в отдельности. Это объясняется задержкой распространения сигналов помехи по шине питания. В результате суммирование выбросов напряжения происходит со сдвигом по времени, как это было бы и при разных величинах за­ держки в отдельных логических вентилях.

16.2.5.ВЛИ Я Н И Е ИМПЕДАНСА ЦЕПЕЙ ЗАЗЕМ ЛЕНИЯ

Выброс тока при переключении схем должен проходить по шине земли так же точно, как и по шине питания, а поскольку при кон­ струкции платы, описанной вподразд. 16.2.1.1, разводка земляных шин выполнена подобно разводке шин питания, можно было бы ожидать, что в таких платах на земляных шинах будут появляться выбросы напряжения с размахом до 300 мВ (0+150 мВ). Такой эффект был бы эквивалентен появлению на сигнальных шинах сим­ метричной помехи с амплитудой 150 мВ, ибо пороги переключения определяются относительно земляной шины. Однако измерения на работающих платах показывают, что на самом деле этого не проис­ ходит. Производя измерения относительно точки на земляной шине, расположенной в самом углу платы, можно измерить перепады напряжения и помехи во всех остальных точках земляных шин. При этом на одной плате наблюдались на земляной шине выбросы напряжения до 300 мВ. Измерения перепадов потенциала между земляным выводом и входным выводом для той же ИС показали, что эти перепады остаются одинаковыми для всех ИС, расположенных на одной плате, причем ни на одном из входов не обнаруживаются предсказанные выше выбросы напряжения.

Точное измерение маленьких выбросов напряжения на земляных шинах осуществить очень трудно, так как фактически невозможно найти «надежную» точку опорного потенциала и исключить все паразитные наводки на щуп осциллографа. Однако не подлежит сомнению, что описанная выше система разводки питания и земли обеспечивает безотказную работу ТТЛ ИС во всех нормальных ло­ гических условиях. (Для предельного случая, когда на одной плате размещено большое число одновременно переключающихся маги­ стральных усилителей, можно ожидать сбои при любом способе разводки питания.)

16.3. Развязка цепей питания

16.3.1.ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Из предыдущего раздела ясно, что в разумно скомпонованной цифровой системе на основе ТТЛ ИС не может быть нарушений нор­ мального функционирования из-за помех по шинам питания и земли. Фактически системы даже на ИС серии 2 можно собирать без всякой развязки цепей питания, кроме той, что сама по себе обеспечивается наличием большого числа ИС на одной плате.

Дополнительные элементы развязки могут потребоваться в тех случаях, когда от одних и тех же шин получают питание как логи­ ческие, так и аналоговые схемы, но для плат, содержащих только логические ИС, нет никакого смысла увеличивать себестоимость лишь для того, чтобы получить абсолютно «чистые» шины питания. Как было показано выше, выброс напряжения на шине питания не

полностью проходит на выход логического вентиля, а поскольку первый положительный сигнал помехи будет еще увеличивать уро­ вень логической 1 сверх нормального, то связью с шиной питания в значительной части можно пренебречь: хотя на сигнальной линии будут помехи, но, по всей вероятности, наименьшее напряжение на ней будет выше минимального уровня 1, оговариваемого в техниче­ ских условиях на ИС. Можно допустить на шине питания импульс­ ные помехи до 500 мВ, а если отсутствуют внешние источники помех, которые могут повлиять на работу рассматриваемого уст­ ройства, то обычно допустимый уровень помех может быть еще выше во всем ожидаемом диапазоне внешних условий по температуре, влажности и т. п.

16.3.2.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВН У ТРЕ Н Н И Х СЛОЕВ ПИТАНИЯ И ЗЕМЛИ

Как уже указывалось в подразд. 16.2.1, платы для монтажа ТТЛ ИС можно выполнять в виде четырехслойных печатных плат, у ко­ торых сигнальные проводники располагаются на внешних поверх­ ностях, а внутри лежат слои питания и земли. Собственная емкость между внутренними слоями может быть недостаточна для развязки питания, и можно рекомендовать подключать между ними допол­ нительные конденсаторы (например, два танталовых конденсатора по 2,2 мкФ), что обеспечит «чистые» цепи питания по всей плате.

Чтобы изучить влияние внутренних слоев питания и земли на работу ТТЛ ИС серии 2 и при этом исключить возможность ошибок, связанных с различиями в общей компоновке платы, ширине печат­ ных проводников и т. п., был взят фотошаблон для готовой платы на 49 корпусов DIP (двусторонняя плата с расположением провод­ ников по прямоугольной сетке, ширина проводников 0,5 мм, мате­ риал G10 толщиной 1,6 мм) и с него были удалены все проводники питания и земли. С обратной стороны у изготовленных по этому фотошаблону плат были нанесены слои питания и земли, и платы были соединены в одну четырехслойную плату, у которой толщина диэлектрика между внутренними слоями равна 0,2 мм. Был прове­ ден также эксперимент, при котором был изменен рисунок цепей питания и земли на исходном фотошаблоне, а вся площадь платы, не занятая проводниками, была покрыта проводящим слоем, так что образовывались частичные заземляющие островки.

На двусторонней плате с исходным рисунком монтажа, на дву­ сторонней плате с дополнительными частичными заземляющими островками и на четырехслойной плате были смонтированы ИС серии 2, которые перед этим были тщательно отобраны по идентич­ ности всех параметров. Затем все эти платы по очереди были уста­ новлены в экспериментальную цифровую систему, собранную из 13 плат, и было проведено измерение выбросов напряжения на шинах питания, паразитных колебаний и перекрестных наводок

Фи г . 16.6. Осциллограммы импульсов помехи в одинаковых точках двусторон­ ней и четырехслойной плат.

жено никакой разницы, так что плата с частичными заземляющими плоскостями была исключена из дальнейшего рассмотрения. Че­ тырехслойная плата не показала сколько-нибудь заметного улуч­ шения в части перекрестных наводок (они были достаточно малы на обеих платах), но влияние паразитных колебаний в сигнальных линиях у четырехслойной платы более заметно, чем у двусторон­ ней. Некоторые осциллограммы для обеих плат приведены на фиг. 16.6. Попарно осциллограммы имеют один и тот же масштаб.

Как и ожидалось, осциллограммы, снятые прямо между вывода­ ми питания и земли у одной и той же ИС, показали, что у четырех­ слойной платы помехи по питанию меньше, чем у двусторонней: полный размах помехи на шине питания у двусторонней платы почти в два раза больше.

Однако при этих измерениях обнаружилась одна весьма суще­ ственная разница между платами обоих типов. Значения задержки сигналов в четырехслойной плате были в среднем на 10% больше, чем в двусторонней плате. Поскольку единственной целью приме­ нения ИС серии 2 было значительное повышение быстродействия системы, разработчики пришли к выводу, что применение много­ слойных плат не может быть экономически оправдано. Если проя­ вить разумную осмотрительность при разбивке логической системы по платам, конструировании плат и компоновке одновременно пере­ ключающихся вентилей так, чтобы они питались от отдельных шин, то можно получить вполне приемлемую систему питания и для двусторонних плат, так что нет нужды производить дополнительные затраты на более дорогие многослойные платы.

16.3.3. ЭЛЕМ ЕНТЫ Р А ЗВ Я ЗК И Д Л Я ДВУСТОРОННИХ ПЛАТ

Хотя в принципе на двусторонних печатных платах можно обойтись без дополнительных устройств развязки, рекомендуется все же на тот случай, если на плату будут воздействовать внешние помехи, предусмотреть в ней развязывающие конденсаторы. Для плат той конструкции, которая описана в подразд. 16.2.1.1, естест­ венно расположить эти конденсаторы по четырем углам платы и возле концов центральных полосок фольги, связывающих между собой промежуточные шины. Как показали эксперименты, для плат на 44 корпуса ИС достаточно использовать конденсаторы емкостью 0,01 мкФ. Из прошедших испытания типов конденсато­ ров самые лучшие результаты дали конденсаторы «Тропифол-Ф», которые одновременно являются одними из самых дешевых.

Если плата скомпонована так, что в одном ряду оказывается большое число одновременно переключающихся ИС, для этого

248 Глава 16

ряда могут потребоваться дополнительные конденсаторы развязки. Лучшие результаты достигаются в том случае, если одновременно переключающиеся ИС монтируются вперемежку с ИС, переключаю­ щимися в другое время.

Когда все сигнальные проводники укладываются по поверх­ ности платы, очень хорошо добавить на краях платы несколько дополнительных проводников повышенной ширины, соединяющих между собой основные шины питания и земли, а если позволяет свободное место на поверхности платы, хорошо еще, как указы­ валось ранее, добавить пару таких «полосок» и в середине платы.

На платах, выполненных с соблюдением всех этих рекоменда­ ций, при установке 48 ИС серии 1 и шести развязывающих конден­ саторов «Тропифол-Ф» двойная амплитуда выбросов напряжения на шинах питания не превышала 300 мВ, даже в том случае, если од­ новременно переключались несколько ИС в одном ряду.