6.5 Внешние и внутренние паразитные связи и помехи в ис

Наряду с образованием нелинейных паразитных структур (диодных, транзисторных, тиристорных), на кристаллах и платах ИС и микросборок имеют место искажения сигналов в коммутационных соединениях элементов. Коммутационные соединения характеризуются как собственными электрическими параметрами, такими как сопротивление, ёмкость на несущее основание и индуктивность (см. п. 2.18.3 разд. 1), так и параметрами взаимными параметрами гальванической, ёмкостной и магнитной связи между собой.

Расстояния между взаимодействующими элементами ИС значительно меньше эквивалентных длин волн, передаваемых по ним сигналов, что позволяет элементы связи рассматривать как сосредоточенные. Электрические и магнитные связи в этих условиях можно рассматривать раздельно.

Влияние сопутствующих паразитных элементов коммутационных соединений на передаваемые сигналы в первом приближении может рассматриваться как влияние линейных элементов и потому относится к линейным искажениям [3, 12]. Искажающее влияние сопутствующих элементов проявляется по следующим направлениям:

• снижение уровней сигналов на выходах коммутационных соединений;

• внесение задержки в передаваемый сигнал и замедление фронтов изменения сигнала на нагрузке соединения;

• передача части энергии сигнала из основного коммутационного соединения в смежные соединения.

На рис. 6.17, условно схематично показано расположение коммутационных проводников, характерное для топологических конфигураций ИС.

Совместный учёт искажающего влияния паразитных параметров соединений методически целесообразно заменить на учёт частичных влияний, так как совместный их учёт неоправданно затруднён вследствие сложности и неадекватности общей модели учёта этого влияния. В то же время оценка частичных искажающих вкладов и их веса позволяет формировать стратегию принятия решений, полагаясь на окончательную экспериментальную проверку результатов.

Снижение уровня сигнала на выходах соединения определяется для потенциальных уровней учётом омического сопротивления коммутационного проводника, образующего делитель напряжения совместно с сопротивлением нагрузки и выходным сопротивлением источника сигнала.

Для импульсных сигналов замедление фронтов сигналов и вносимая задержка определяются распределёнными ёмкостями и индуктивностями соединения. Протекающие при этом процессы имеют определённые особенности в зависимости от соотношения между длительностью фронта сигнала и вносимой соединением задержкой. Линии связи, по которым передаются перепады напряжений или токов, разделяются на короткие и длинные. Электрическая длина линии оценивается соотношением между длительностью фронта перепада tф и временем задержки возмущения в линии tз = L/v = (L√ε)/с, где v— скорость распространения возмущения в среде с относительной диэлектрической проницаемостью ε (в однородной cреде ε = ε_д); с = 310⁸ м/с — скорость cвета в вакууме; L — длина линии, м. Для наиболее широко применяемых материалов проницаемость диэлектрика ε_д = (5...9). Для линии связи, расположенной на поверхности подложки, граничащей с воздухом, согласно выражению ε≈ (ε_д + 1)/2 погонная задержка составляет tз1≈ (6–7,5) нс/м.

На рисунке 6.18 показана форма сигнала на конце разомкнутой линии, на вход которой подан перепад напряжения U с фронтом tф, для различных отношений между длительностями фронта сигнала и физической задержкой tз распространения сигнала в линии tф/tз. При tф/tз ≤ 1 в линии устанавливаются затухающие колебания с периодом T =  4∙tз, обусловленные отражением фронта волны от несогласованных нагрузок на концах линии (Rи < Zo, Rн >> Zo, где Zo = √(Lп/Cп) — волновое сопротивление линии). При увеличении tф/tз изменяется форма и уменьшается амплитуда затухающих импульсов. Длину линии, при которой амплитудой затухающих всплесков можно пренебречь, принято называть критической. По разным оценкам критической длине линии со-ответствует соотношение tф/tз ≤ 2. Линии связи, соответствующие неравенству tф/tз ≤ 1, называются электрически длинными, а линии, соответствующие tф/tз > 4, называются короткими. Форма напряжения на выходе короткой линии близка к форме входного возмущения. Короткая линия не обладает формирующими свойствами, поэтому ее упрощенная эквивалентная электрическая схема может быть представлена сосредоточенной емкостью, равной полной емкости линии Сн = Сп∙L.

Для быстродействующих логических элементов с длительностью фронта логического перепада порядка 1 нс (ТТЛШ, ЭСЛ) критическая длина достигает 5 см. Такую длину могут иметь лишь соединения за пределами корпусов ИС на печатных платах и платах ГИМС при габаритных размерах не менее 48 мм на сторону.

Отрезки линии связи длиной менее 2,5 см можно считать короткими для самых быстродействующих кристаллов и плат ИС и рассматривать их как совокупности сосредоточенных элементов. Преобладающее влияние на задержку и удлинение фронта оказывают резистивноёмкостные параметры соединения в интегрирующем их включении с входными и выходными параметрами соединяемых элементов. Задержка оценивается по временному смещению уровня 0,1 выходного сигнала. Фронт оценивается по временному интервалу между уровнями 0,1–0,9 выходного сигнала.

Передача части энергии сигнала в смежные коммутационные соединения имеет место через ёмкости связи Ссв (ёмкостная связь), взаимную индуктивность Мсв и через общие участки соединений. Между параллельными проводниками существуют емкостные и индуктивные паразитные связи, а между взаимно перпендикулярными проводниками — емкостные. Коммутационный проводник, по которому передается сигнал между логическими элементами, например между элементами Э1 и Э2, Э5 (см. рис. 6.17), называется активной линией связи. Логический элемент Э1 является источником сигнала, а элементы Э2 и Э5 — приемником сигнала. Смежный с активной линией коммутационный проводник, находясь в одном из потенциальных логических состояний, рассматривается как пассивная линия, на которую через гальваническую, ёмкостную или индуктивную связь передаётся часть энергии сигнала из активной линии. Роль пассивных линий связи на рис. 6.17 выполняет коммутационный проводник, соединяющий элемент Э3 с элементом Э4.

Гальванические индуктивные помехи образуются в общих участках цепей электропитания, приводя к так называемым продольным помехам (помехам общего вида) за счёт использования общих проводных связей множеств логических элементов.

Ёмкость Ссв и взаимная индуктивность Мсв соединений создают поперечные каналы утечки энергии сигнала из активной линии в пассивную. В пассивной линии эта доля сигнала проявляется в виде поперечных помех, создающих угрозу ложного срабатывания элементов, соединённых с пассивной линией. Сосредоточенный характер включения элементов коротких линий соединений позволяет в первом приближении учёт влияния ёмкостных и индуктивных связей и искажений по цепям электропитания производить раздельно.

Оценка образования и управления величиной ёмкостной связи основывается на использовании моделей приведенных на рисунках 6.19, а, б.

При известных частичных ёмкостях Сi, j между элементами структуры проводных связей ИС может быть определён потенциал Uk на любом k-ом элементе структуры, если на её n-ый элемент подан потенциал Un.

Рисунок 6.19

Коэффициент ёмкостной связи между двумя пленочными проводниками определяется по выражению

kc  = Uk/Un. (6.7)

На рисунке 6.20 представлены графики, с помощью которых определяются коэффициенты емкостной связи между одинаковыми пленочными проводниками, расположенными над заземленной металлической поверхностью 3 (U3 = 0; C22^/ = C23 + C22; C11^/ = C11 + C13) для двух вариантов окружающей диэлектрической среды.

Рисунок 6.20

В этом случае для симметричной конструкции kc12 = = kc21 = kc. Диапазон коэффициентов емкостной связи 0,25... 0,6. При уменьшении расстояния h между проводниками и заземленной металлической поверхностью увеличиваются собственные частичные емкости проводников и, соответственно, уменьшается коэффициент емкостной связи. Штриховыми линиями на рисунке 6.20 показан рост kc при пропорциональном уменьшении размеров а и b, что иллюстрирует рост уровня паразитных емкостных связей с увеличением плотности коммутационных соединений.

Для проводников расположенных над незаземленной металлической поверхностью (рис. 6.19, а), емкостная связь увеличивается. Эквивалентная электрическая схема этой системы проводников приведена на рис. 6.19, б. Емкостная связь между проводниками 1 и 2 обусловлена как частичной взаимной емкостью С12, так и емкостями внутренней звезды С13, С23, С33.

Уменьшить емкостную связь между пленочными проводниками можно дополнительным заземленным проводником (см. рис. 6.21, а). В этом случае часть взаимного потока электрической индукции между проводниками 1 и 2 замыкается на проводник 3. На рисунке. 6.21, б, в показано применение экранирующего металлического слоя для практически полного устранения емкостной связи между коммутационными проводниками, лежащими в различных плоскостях.

Рисунок 6.21

Инженерный расчет емкости между параллельными проводниками ряда топологических исполнений проводится по формуле

С1 = 0,0885∙ ε_ДЭ ∙ Сг∙L, (6.8)

где ε_ДЭ ≈ (ε_Д1 + ε_Д2)/2 — эффективная относительная диэлектрическая проницаемость в неоднородной среде со сравнимыми значениями ε_Д1 и ε_Д2 среды;

Сг — коэффициент, определяемый геометрическими размерами и взаимным расположением проводников по таблице 6.2.

Таблица 6.2

В таблице 6.2 представлены выражения для расчета Сг наиболее употребительных конфигураций проводников при ε_Д>>1. Здесь К и К' — полные эллиптические интегралы модулей k и k^/ = (1–k²)^1/2 [21].

Для расчёта ёмкости между пересекающимися проводниками применяются расчётные формулы двухобкладочного плёночного конденсатора.

Для определения амплитуды емкостной помехи, соответствующей рисункам 6.19, 6.20, применяется эквивалентная расчётная электрическая схема, изображённая на рисунке 6.22, гдеRн, Сн — сопротивление и емкость эквивалентной нагрузки.

При логическом перепаде в активной линии U с длительностью фронта tф амплитуда емкостной помехи в пассивной линии равна

Uп ≈ Ссв∙U∙τ∙[1–exp(–tф/τ)]/[tф∙(Ссв + Сн)], (6.9)

где τ = Rн∙(Cсв + Сн). Полярность емкостной помехи соответствует знаку логического перепада.

Оценка напряжения помехи, наводимого в пассивной линии вследствие магнитной связи между параллельными активной и пассивной линиями, определяется по известному выражению вида

Uп ≈ – Мсв ∙ (dI/dt), (6.10)

где Мсв — взаимная индуктивность;

–dt ≈ tф — длительность фронта токового dI перепада.

Взаимная индуктивность Мсв (мкГн) между параллельными проводниками равной длины определяется по формуле

Мсв  = 2∙10^–3 ∙L∙ {Ln{√[1 + (L/a)²]  + L/a}– {√[1 + (a/L)²] +  a/L}}, (6.11)

где L — длина проводников, см;

а — расстояние между осями проводников, см.

Для ослабления магнитной связи необходимо увеличивать расстояние между проводниками или располагать их перпендикулярно друг другу.

Зависимость уровня индуктивной помехи на входе U вх элемента Э4 (см. рис. 6.17) от соотношения входного сопротивления Rвх элемента Э4 и выходного сопротивления Rвых элемента Э3 определяется по выражению

Uвх = Uп∙Rвх/(Rвх + Rп).

Как отмечалось, негативное влияние могут оказывать общие для нескольких логических элементов проводники питания и заземления, характеризующиеся омическим сопротивлением Rшп и индуктивностью Lшп. Выбросы и статические перепады напряжения на шинах заземления и электропитания, определяемые по выражению

Uп = I(t)∙Rшп + Lшп∙ [dI(t)/dt)], (6.12)

снижают статический и динамический запас помехоустойчивости логических вентилей и повышают угрозу ложного срабатывания вентилей.

При повышении степени интеграции ширина коммутационных проводников имеет тенденцию к уменьшению. Эта тенденция способствует повышению их омического сопротивления и индуктивности и соответственно увеличению уровня помех. Проблема обостряется для ТТЛ элементов, сложные инверторы которых во время переключения являются коммутаторами импульсных сквозных токов Iс амплитудой до (20–40) мА при общей длительности равной длительности фронта переключения базового элемента (tф = 8–12 нС). Если одновременно переключается n ТТЛ-вентилей, то на индуктивностях шины питания образуются импульсы помехи

Uп≈ 2∙n∙Lшп∙Ic/tф + Iс∙Rшп. (6.12а)

Характерной особенностью ЭСЛ ИС (токовых ключей) является неизменность тока электропитания в процессе переключения элементов. В шинах питания и заземления этих элементов отсутствуют импульсные помехи и создаются только постоянные падения напряжения, определяемые вторым слагаемым выражения (6.12, а).

Для уменьшения уровня помех, обусловленных падением напряжений на шинах питания и заземления, необходимо уменьшать омическое сопротивление и индуктивность коммутационных проводников, увеличивая их толщину и ширину и уменьшая длину. Этому способствует применение последовательно-парал-лельного подвода линий электропитания к элементам ИС и увеличение их толщины и ширины. Толстые коммутационные шины питания и заземления обычно располагаются в наружном (верхнем) слое многослойных коммутационных плат. Разводку шин питания и заземления производят в одном слое без пересечения проводников.