Завадостійкість цифрових пристроїв

До найважливіших проблем схемотехніки цифрових елементів належать питання захисту цифрових сигналів і електричних кіл від внутрішніх і зовнішніх завад та шумів. Весь процес проектування цифрової системи може бути зведений нанівець, якщо на етапах синтезу не будуть вжиті відповідні схемотехнічні заходи щодо забезпечення високої завадостійкості та електромагнітної сумісності окремих вузлів в реальних умовах її експлуатації. Актуальність цієї проблеми зумовлена, насамперед, підвищенням швидкодії цифрових мікросхем при зниженні амплітуд робочих сигналів, і, як наслідок, підвищення рівня зовнішніх завад. Ці фактори відповідно створюють передумови неминучої появи у будь-якій електронній схемі додаткових паразитних параметрів ємнісного або індуктивного характеру, які в реальних умовах можуть погіршити швидкодію та завадостійкість, а іноді навіть призвести до повної втрати працездатності всієї системи. З огляду на те, що цифрові елементи можуть бути як джерелами, так і приймачами завад і шумів, проблему захисту цифрових елементів (у тому числі цифрових сигналів, електричних кіл і та ін.) можна розділити на дві групи:

· захист від внутрішніх завад і шумів, які можуть виникати в окремих вузлах;

· захист від зовнішніх завад і шумів, що мають місце при передачі цифрових сигналів по шинах ліній зв’язку між окремими вузлами іна відстань між системами.

Основними джерелами виникнення завад шумів у електричних колах є кола живлення і заземлення, а також вхідні й вихідні кола сигналу. Внутрішній власний шум (окрім теплового шуму)елемента можна зменшити за рахунок правильного розміщенняелементів на платі, фільтрації, або екрануванням.Механізм передання по внутрішніх колах схеми небажаних сигналівможебути електростатичний (внаслідок ємнісного зв’язкуміж провідниками), магнітний (через магнітний зв’язок, що утворений із замкнутих контурів схеми) і електромагнітний (через електромагнітні хвилі, що утворені провідниками - "антенами").

Струми завад і шумів поширюються в електричних колах внаслідок спадів напруг, що виникають на їх шляху в колах живлення і заземлення. Основною причиною появи завад у цифрових схемах є процеси перемикання логічних рівнів напруг цифрових сигналів, які внаслідок швидкої зміни (В/нс) породжують цілий спектр частот в області від нуля до сотень мегагерц. Верхня межа цього спектра, безперечно, залежить від швидкодії ЛЕ, тобто від конкретного типу мікросхеми.

У ЛЕ ТТЛ і КМОН, зокрема, що мають двотактну вихідну схему, При перемиканнях виникав ситуація, коли обидва транзистори протягом короткого часу знаходяться у відкритих станах. Цей момент викликає короткочасне коротке замикання джерела живлення, що супроводжується хоч короткочасним, але значним струмом, що прямує від до "землі", який у деяких ЛЕ може досягати сотень міліампер. Цим струмом при наявності паразитних індуктивностей провідників утворюються від’ємний викид струму з боку і додатний - з боку загальної шини ("землі"), які стають небажаними для інших ЛЕ. Наприклад, додатний викид напруги з виходу ЛЕ, пройшовши на вхід наступного ЛЕ, може бути ним сприйнятий як лог.1. Якщо для останнього це активний сигнал, він переведе його у інший логічний стан, що рівнозначно збою, і, отже, до порушення всієї системи.

Поряд з максимальним використанням на платі провідної площі під шину "землі", якою можна значно зменшити паразитні індуктивності й опір, традиційним способом захисту розглянутого роду завад є застосування шунтуючих конденсаторів різних типів. Керамічні конденсатори під’єднують до виводів живлення кожної мікросхеми, причому для ЛЕ малої і середньої швидкодії - ємністю 0,1мкФ, а для швидкодіючих - ємністю 100…1000 пФ. Оксидні або танталові конденсатори як стабілізуючі і розв’язуючі ємністю ³1мкФ розміщують на шинах джерела живлення у кількох місцях плати.

Найважче боротися із завадами, що викликані ємнісним навантаженням, під яким слід розуміти сумарну ємність, що утворена монтажем провідників і вхідною ємністю вхідного кола наступної мікросхеми. Це ємність, яка може досягати десятків пікофарад, в момент дуже короткочасного перемикання утворює досить значний струм, величину викиду якого можна підрахувати за формулою , де - перепад напруги перемикання; - час перемикання. Ситуація ускладнюється особливо тоді, коли сигнали потрібно приймати або передавати за межі плати, а також тоді, коли сама плата має велику площу. У цих випадках найкращим захистом є зменшення паразитних індуктивностей, що утворені довгими провідниками, за допомогою масивної спільної шини "землі" і мінімально можливого монтажу.

Можливість виникнення завад зростає при передачі цифрових сигналів на відстань, бо крім внутрішніх завад і шумів тут виникають ще й зовнішні. Вони стають більш інтенсивними внаслідок збільшення погонної ємності провідників, кабелю або дротів та наявності роз’ємів. У цих випадках інтенсивність завад визначається як амплітудою цифрового сигналу і ємністю навантаження, так і типом лінії зв’язку. Лінія передачі може бути узгоджена або неузгоджена, симетрична або несиметрична, одно- або двонапрямлена.

У випадку неузгодженої лінії зв’язку (коли опір навантаження не дорівнює хвильовому, тобто характеристичному, опору лінії) запобігти викидів струму на ньому можна за умови, якщо довжина лінії , де - тривлість фронту імпульсу; -погонна затримка поширення сигналу в лінії зв’язку, с/м. Лінія зв’язку тут може бути несиметричною, наприклад коаксіальний кабель, який за рахунок повного екранування забезпечує високу завадостійкість. Парою ШПП, що розраховані на роботу з коаксіальним кабелем, в інтерфейсні мікросхеми ТТЛ 559ИП4 (передавач) з відкритим емітером і 589ИП5 або 559ИП7 (приймач) із входом на основі тригера Шмітта. У цьому випадку на виході передавача і на вході приймача досить під'єднати резистори, однакові за характеристичним опором кабеля Z.(див.рис.2.15)

Вищі завадостійкість і швидкодію передачі цифрових сигналів на значну відстань (до кількох кілометрів) можна досягнути при застосуванні симетричної лінії зв’язку, якою є звита пара проводів однакових розмірів і електричних параметрів. Для симетричної лінії зв’зку передавач і приймач повинні мати відповідно диференційні вихід і вхід. За цих умов забезпечується високий ступінь придушення синфазних завад, що може досягати >70 дБ (3000:1) у діапазоні 0…1000 кГц, а також хороше відновлення логічних рівнів цифрових сигналів, які завжди спотворюють свою формуна лінії передачі.

З метою послаблення високочастотних шумів (³100МГц) на друкованій платі з боку живлення доцільно застосувати П-подібний LC-фільтр, що утворений з шунтуючих керамічних конденсаторів ємністю 1000пФ і феритового кільця з двома дротяними витками. Енергія електромагнітної хвилі, що проходить крізь ферит зменшується частково перетворюючись в теплову. Крім того, до кожного ЛЕ передавача і приймача цифрових сигналів необхідно під’єднати керамічні конденсатори ємністю 0,1 мкФ.

Виходи цифрових елементів, які передають сигнали за межі плати чи системи, слід буферувати ЛЕ або ШПП з метою уникнення явища інтерференції завади і корисного сигналу, а також для придушення викидів струму на неузгодженій лінії зв’язку. При необхідності передачі цифрового сигналу на велику відстань, причому на неузгоджену лінію (кабель), вихідні провідники плати системи слід пропускати через ферритове кільце. Це збільшує послідовну індуктивність кабеля в цілому і, отже, підвищує повний опір для синфазното сигналу на високій частоті.

Якщо синтез КП відбувається тільки на рівні функціонально-логічного проектування, тобто з врахуванням тільки законів булевої алгебри, може скластися думка, що всі ЛЕ у КП діють без затримок і на їх виходах сигнали з'являються у той самий час, що й вхідні сигнали. Більше того, сигнали на виходах зберігаються доти, поки є сигнали на входах. Таке проектування, безумовно, носить формальний характер і не може вважатися остаточним для побудови працездатного пристрою.

При проектуванні реальних цифрових пристроїв необхідно враховувати, що кожний ЛЕ або функціональний вузол КП має власну скінченну затримку сигналу і тому сигнали на виходах схеми будуть з’являтися тільки через певний (для кожного елемента свій) інтервал часу після подачі вхідних сигналів. Це, безперечно; негативно впливає на функціонування всього пристрою, бо затримка у колах ЛЕ не тільки зменшує швидкодію, а й створює хибні сигнали. Отже, одночасна поява двох сигналівна вході ЛЕ або КП, що мають внаслідок однакових причин неоднакові часові затримки поширення, утворюють на цьому вході "логічне змагання" або "гонку". Таке негативне явище стає причиною появи на виході даного ЛЕ або КП нерегламентованих сигналів, які важко навіть зареєструвати.

Хоча ці сигнали, як правило, короткочасні (всього кілька наносекунд), поява їх на виході ЛЕ або КП може призвести до зміни стану наступного ЛЕ, наприклад запам’ятовувача (типу тригера), який зафіксує новий стан, що може бути небажаним для всього цифрового пристрою чи системи. Короткочасні хибні сигнали-викиди, причиною виникнення яких є "гонки", називають “голками”.

Залежно від ситуації на вході КП, яка спричиняє виникненнянайого виході "голки", розрізняють статичний та динамічний ризики збою КП.

Статичний ризик збою КП виникає тоді, коли замість постійного рівня (0 або 1), який має бути за логікою роботи на виході схеми,наостанньому відбуваються короткочасні зміни, тобто з’являється ''голка". Причиною появи небажаних змін на виході схеми є часова різниця ("гонка") логічних переходів 0®1 або 1®0 одного вхідного сигналу щодо другого.

Залежно від типу ЛЕ завада типу "голки", як показано на рис. 2.16 а-б, може бути відповідно нульовою типу (1-0-1) або одиничною типу (0-1-0). Позбутися цієї завади можна, очевидно, введенням у "незатримане" коло, у даному випадку у коло сигналу X₁ , штучноїлініїзатримки, яку легко виконати з ланцюга потрібного числа буферів-повторювачів або парного числа iнверторів.

Рис. 2.18 Виникнення збоїв при роботі пристрою

Як показує практика, при розробці нескладних одноплатних цифрових пристроїв (до 10 корпусів МІС та СІС ) в діапазоні частот МГц особливих труднощів не виникає, і немає потреби проводити спеціальні розрахунки електромагнітної сумісності пристроїв. У випадку розробки більш високочастотних друкованих плат слід застосовувати мікросмужкову технологію і враховувати напрям руху зворотніх струмів по шині „землі”, причому ширина доріжки повинна вибиратися за врахування частоти робочого сигналу, робочого струму та хвилевого опору виходів та входів ЛЕ. Те саме особливою мірою стосується плат аналогово-цифрових перетворювачів (АЦП), де неправильне проектування топології друкованих провідників призводить до втрати розрядності А/Ц перетворення, оскільки молодші розряди одержаного внаслідок такого перетворення коду „шумлять”. Слід зауважити, що вирішення проблем завадозахищеності потребує значного досвіду та інтуїнції та вимагає здатності передбачити всі можливі джерела негативних впливів. Детальніше про особливості проектування та захисту від шумів і завад можна дізнатися в [2]