3. Помехи в цепях питания логических элементов

Как уже отмечалось, для описания свойств логических элементов вводятся параметры, которые позволяют количественно оценить отличия реальных вентилей от идеальных. Неидеальность проявляется в наличии задержек переключения, в необходимости ограничений по входным и выходным токам и напряжениям и т. п.

Однако неидеальными являются и другие элементы электронных устройств, в частности шины по, которым подводится питание и линии передачи управляющих сигналов. Влияние этих цепей может сильно сказаться на надежности работы различных устройств цифровой техники.

Это связано с тем, что цифровые сигналы отличает очень малая длительность фронтов и соответственно значительная протяженность спектра в область высоких частот. При этом наличие даже небольших по величине емкостей и индуктивностей приводит к значительным изменениям формы сигналов и возникновению колебательных процессов на выходах и входах логических элементов. В итоге может существенно снизится надежность работы цифровых устройств.

Для подачи питания на логические элементы используется система проводников, связанных с положительным полюсом источника питания и общей (земляной) шиной. У разных конструкций конфигурация этих проводников и варианты их соединения с соответствующими выводами микросхем могут значительно отличаться друг от друга.

Обычно имеется возможность реализации разных конфигураций разводки питания и поэтому актуальным является вопрос о выборе оптимального варианта с точки зрения надежности работы устройства и обеспечения минимального уровня помех для других узлов.

Пусть ТТЛ логический элемент с заземленным входом подключен к общему выводу источника питания посредством проводника с сопротивлениемR, которое зависит от его длины L, площади сечения S и удельного сопротивления материала ρ, .

Так как любой логический элемент потребляет энергию от источника питания, то через соединительный проводник будет протекать соответствующий токI_пит, что вызовет появление напряжения помехи , которая будет действовать между общим выводом логического элемента и его входом. Это связано с тем, что управляющий сигнал воспринимается как разность потенциалов между общей точкой соединения выводов внутренних элементов вентиля и его входом. В рассматриваемой ситуации такая помеха будет действовать как управляющий сигнал отрицательной полярности. При наличии внешнего сигналаU_c, напряжение, действующее на входе вентиля окажется равным .

Ток, потребляемый логическим элементом может меняться при изменении его состояния, следовательно будет меняться и напряжение помехи. Если оно превысит предельно допустимый уровень, то нарушится работа, как самого логического элемента, так и связанных с ним устройств. Поэтому анализ помех в шинах питания и реализация мер по снижению их уровня является очень актуальной задачей. Наиболее опасны помехи появляющиеся на общей, «земляной» шине, так как все управляющие сигналы подаются относительно нее.

Помехи, возникающие, вследствие рассмотренных выше причин, в плюсовой цепи обычно не выходят за пределы допустимых изменений напряжения источника питания, а вследствие конструктивных особенностей логических элементов они передаются на выход вентиля ослабленными.

Рассмотрим ситуацию, когдаn логических элементов подключены к шине питания на равном расстоянии друг от друга, а ее левый конец соединен с общей точкой источника питания. Из-за наличия сопротивления участков шин R_ш, реальное напряжение управления на входах логических элементов будет складываться из напряжения сигналаи помехи, величина которой пропорциональна сопротивлению участка линии и протекающему по нему току. Так как сигналы управления подаются относительно общей точки источника питания, то.В связи с тем, что в процессе переключения вентиля его ток потребления меняется, соответственно будет меняться и уровень помехи.

Для рассматриваемой ситуации токи потребления вентилей, расположенных ближе к правому краю схемы будут протекать по всем участкам шины, связывающим логические элементы, размещенные левее. Поэтому наиболее сильное влияние рассматриваемый вид помехи будет оказывать на элемент ЛЭn.

Провести анализ уровня помех в такой цепи можно, воспользовавшись упрощенной ее моделью, которая имеет следующий вид. Здесь факт потребления тока логическим элементом отображается введением генератора тока I_п, и, для упрощения, сопротивления всех участков шины между точками подключения вентилей считаются одинаковым и равным R_ш.

Так как токи всех логических элементов протекают через участок шины первого, то напряжение помехи, действующей на ее входе, определяется соотношением. Сигнал помехи на входе второго элемента будет равен сумме напряжений помех от протекания токов по двум соседним участкам шины, то есть. Наибольший уровень помехи окажется на входе правого крайнего элемента. Его можно подсчитать, просуммировав падения напряжений на всех участках шины

.

Как уже отмечалось, при переключении ТТЛ логических элементов возникают импульсы сквозных токов (броски ), для ограничения которых в коллекторную цепь верхнего плеча выходного каскада вводится резистор.

Аналогичная картина наблюдается и при изменении состояния КМОП вентилей, если сумма пороговых напряжений транзисторов меньше напряжения источника питания. Зная допустимый уровень помех, величину броска тока питания и количество подключенных к шине элементов можно оценить предельно допустимое сопротивление участка шины. Для ТТЛ вентиля серии К155,, в этом случае при количестве элементов равном 16, предельное сопротивление участка корпусной шины не должно превышать 0,16 Ом, что является достаточно малой величиной и потребует применения на печатных платах заземляющих линий большой площади.

Более оптимальным является способ монтажа, при котором разводка питания осуществляется отдельными проводниками. В этом случае токи от разных элементов на участках шины не складываются и напряжения помех на входах элементов будут,и т.д. Максимальное напряжение помехи, действующее на входе крайнего правого элемента, оказывается равным. Здесь для упрощения принимается, что длина питающего проводника и его сопротивление возрастают пропорционально удалению элемента от общей точки источника питания. Однако при таком подходе увеличивается количество шин и площадь, занимаемая ими на печатной плате устройства.

В реальных ситуациях, особенно при высоких скоростях переключения логических элементов требуется учитывать наличие у участков шин индуктивности L_ш, которую можно считать включенной последовательно с сопротивлением R_ш.

При изменении тока через индуктивность на ней возникает эдс, определяемая соотношением, которая в зависимости от направления изменения тока будет складываться, либо вычитаться из напряжения помехи, формирующейся на сопротивлении шины.

Если, в первом приближении считать, что ток помехи возрастает (и спадает) линейно за интервал, равный половине времени задержки переключения логического элемента, то амплитуду помехи можно определить следующим образом. Индуктивность проводника, соединяющего два соседних корпуса микросхем совместно с паразитной индуктивностью их выводов составляет порядка 20нГ. Отсюда следует, что при выбросе тока в 20мА и средней задержке переключения вентиля 20 нС, амплитуда помехи только на индуктивности такой шины окажется порядка 40 мВ. При большом числе одновременно переключающихся логических элементов картина окажется еще хуже, так как сигналы помех в некоторые моменты времени будут складываться.

Оптимизация разводки линий питания не всегда позволяет существенно снизить уровень помех, так как для уменьшения индуктивности шин требуется использовать проводники с большим сечением, что затруднительно в реальной ситуации.

Выходом является создание дополнительных замкнутых контуров для протекания токов переключения вентилей в обход шины питания. С этой целью устанавливаются фильтрующие конденсаторы между выводами корпуса и питания каждой микросхемы. Конденсатор выполняет функцию локального накопителя энергии и импульс потребляемого тока будет отбираться у него, не протекая по внешней цепи. Подзаряд конденсатора происходит в моменты времени, когда логический элемент уже переключился и влияние помех гораздо слабее, чем в процессе смены состояний.

Такие конденсаторы должны обладать малой собственной индуктивностью, поэтому в цепях питания цифровых микросхем используются их разновидности на основе керамики.

В первом приближении емкость конденсатора можно определить из условия допустимого изменения напряжения питания при разряде С_Ф в цепь вентиля. Так как в этом случае потенциал вывода корпуса логического элемента повысится на ту же величину, это будет воспринято вентилем как помеха.

Известно, что , где ΔQ изменение заряда. Величина заряда, отдаваемого в цепь питания при треугольной форме импульса тока будет равна . Отсюда следует, что емкость фильтрующего конденсатора должна быть не менее, чем. Для ТТЛ микросхем ее величина составляет десятки нанофарад, а для КМОП – тысячи пикофарад.

Приведенные выше расчеты являются достаточно приближенными, так как конкретная ситуация определяется конфигурацией устройства, количеством и типом логических элементов, алгоритмами их переключения и параметрами источника питания.

Однако введение фильтрующих емкостей может привести и к ухудшению ситуации. Это связано с тем, что они совместно с индуктивностями шин питания образуют колебательные контура, в которых из-за бросков тока потребления могут возникнуть колебания напряжения с частотами, определяемыми их резонансными свойствами.

В первом приближении эквивалентную схему цепей питания с учетом паразитных сопротивлений, индуктивностей шин и фильтрующих конденсаторов можно представить в виде параллельного колебательного контура, параметры которого определяются суммарными величинами активных и реактивных компонентов. Его резонансная частота определяется соотношением . Если добротность контуравелика, то амплитуда колебаний напряжения на нем при скачкообразном изменении тока в цепи питания может превысить допустимый уровень помех.

Для борьбы с этим явлением параллельно шинам питания рекомендуется подключать один либо несколько конденсаторов с суммарной емкостью . Их величина обычно выбирается в пределах десятков микрофарад и они могут быть электролитическими.