Линии передачи сигналов

Для обеспечен6ия работоспособности цифровых устройств (ЦУ) следует уделять большое внимание линиям связи (межсоединениям элементов). Это важно при проектировании печатных плат, и становится особенно острой проблемой в БИС/СБИС, гдн преобладающая часть площади кристалла, задержек сигналов и потребляемой мощности зачастую относится именно к системе межсоединений.

Ряд рекомендаций для разработки ЦУ рассматривалось ранее в п.14.5. («качество земли», ограничения на параллельное размещение сигнальных линий, фильтрация питания, согласование волновых сопротивлений в длинных линиях).

Рассмотрим особенности основных вариантов технической реализации межсодинений.

На платах межсоединения выполняются одиночными проводниками над «земляной» плоскостью, двумя проводниками, витыми парами, микрополосковыми линиями, коаксиальными кабелями малого диаметра и др.

Схема соединения одиночным проводником (Рис.14.11) изображена с учетом напряжения помехи, которая возникает между «землями» двух элементов. В этом случае помеха передается на вход приемника сигнала.

Рис.14.11 Простейшая схема передачи цифрового сигнала

Помехоустойчивость передачи повышается, если элемент-приемник обладает гистерезисными свойствами, как, например, триггер Шмита (Рис.14.12). Благодаря гистерезисной характеристике приемника, для переключения в состояние логической «1» нужно подать на вход напряжение, значительно превышающее пороговое, а для переключения в «0» - значительно меньше, чем пороговое. Это повышает уровень допустимых помех, причем тем больше, чем шире петля гистерезиса.

Рис.14.12 Схема передачи сигнала с гистерезисным приемником

Значительное улучшение может дать передача парафазного сигнала по двум линиям (дифференциальная передача), показанная на Рис.14.13.

Приемником сигнала служит дифференциальный усилитель (или компаратор). На его верхнем входе действует напряжение U_сигн +U_пом, а на нижнем -U_сигн +U_пом.

Дифференциальный приемник воспринимает разность напряжений между входами, которая равна 2U_сигн и не содержит напряжения помех.

Перекрестные помехи в данном случае также значительно ослабляются, поскольку появляются в обоих проводниках близкими по величине, так что их разность, ощущуемая приемником, мала.

На Рис. 14.14 приведена схема помехоустойчивой передачи сигнала дифференциальным способом по витой паре. По волновому сопротивлению витая пара согласуется резистором, выполненным в виде делителя из резисторов 180 и 390 Ом, эквивалентное сопротивление которого относительно выхода равно 120 Ом.

Рис.14.13. Схема передачи сигнала дифференциальным способом

Витая пара, часто применяемая в ЦУ, представляет собою как бы упрощенную конструкцию коаксиального кабеля, в которой один из проводов можно рассматривать как некоторый аналог оплетки кабеля.

Рис.14.13. Схема помехоустойчивой передачи сигнала дифференциальным способом по витой паре

На Рис.14.14. изображен буфер с третьим состоянием и регулировкой крутизны нарастания выходного сигнала. Введением/снятием третьего состояния управляет вход ОЕ (Output Enable), крутизной фронтов – сигнал CRC (Slew Rate Control).

Рис.14.14. Буфер с регулируемой крутизной фронта

Пологий фронт желателен, поскольку замедление изменений токов и напряжений снижает помехи из-за токовых импульсов в цепях питания, перекрестные помехи и др.

В то же время в критичных для быстродействия устройства путях замедленные переключения элементов нежелательны, и поэтому в них устанавливают режимы крутых фронтов.

Буферные каскады с регулировкой крутизны фронтов достаточно часто применяются в современных СБИС. В них встречаются и более изощренные способы регулировок скоростей изменения сигналов в буферных элементах по специально подобранным нелинейным законам..

Большие проблемы связаны с реализацией межсоединений в СБИС. Уменьшение размеров схемных элементов, одинаковое для размеров в плане и толщин, ведет к уменьшению поперечного сечения проводников по квадратичной зависимости, что увеличивает их погонное сопротивление.

Резистивность и емкость связей ограничивают гипотезу их эквивалентности. Распространение потенциала вдоль проводника подчиняется уравнению диффузии, чему соответствует падение скорости распространения сигнала по мере удаления от источника и квадратичная зависимость задержки т длины проводника. Удлинение длины проводника приводит к учетверению задержки и т.д.

Поэтому в длинных связях иногда включают через определенные расстояния усилители –повторители сигналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ю. Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров. Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс. Учебник для вузов М.: Горячая линия Телеком, Радио и связь, 2005. 768 с.: ил
2. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
3. Ю. В. Новиков Основы цифровой схемотехники. М.: Мир, 2001. 379 с.
4. Хоровиц П., Хилл У Искусство схемотехники. Пер. с англ. 6-е изд. перераб. М.: Мир, 2001. 704 с.
5. Е. П. Угрюмов. Цифровая схемотехника. Учебное пособие Спб.: BHV-Санкт-Петербург, 2004. 782 с.
6. И. М. Мышляева. Цифровая схемотехника. Учебник М.: Академия, 2005. 400 с.
7. Н.В.Вербицкий, Т.Л.Владимирова. Лабораторные работы (практикум) по курсу «Основы схемотехники изделий электронной техники». Минск, Белорусская Государственная политехническая академия, 1996
8. Е.А.Корнев. Методические указания к лабораторным работам по курсам «Вычислительная техника», «Схемотехника», «Электроника и микросхемотехника» - Оренбург, 2001
9. Куцоконь Н.Ц. Сборник лабораторных работ по схемотехнике. Ульяновск, 2000
10. И.Я.Ширин. Схемотехника аналоговых и цифровых устройств. Учебное пособие, Минск 2005
11. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К.Основы микропроцессорной техники. Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
12. Гуров В.В., Чуканов В.О. Основы теории и организации ЭВМ. Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
13. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство Пер. с нем. М.: Мир, 1982. 512 с
14. Ю. Р. Гнатек Справочник по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям Пер. с англ. / Под ред. Ю. А. Рюжина. М.:Радио и связь, 1982. 420 с.: ил
15. А. Ю. Гордонов, Ю. Н. Дьяков Большие интегральные схемы запоминающих устройств: Справочник М.: Радио и связь, 1990. 288 с.: ил
16. Б. Г. Федорков, В. А. Телец Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.: ил
17. У. Томпкинс, Дж. Уэбстер Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC М.: Мир, 1992. 592 с.: ил
18. А. М. Юшин Цифровые микросхемы для электронных устройств: Справочник
    М.: Высшая школа, 1993. 176 с.: ил
19. Б. Л. Перельман, В. И. Шевелев Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги: Справочник М.: НТЦ Микротех, 1998. 376 с.: ил
20. Миловзоров В.П. Элементы информационных систем. - М.: Высшая школа, 1989