Использование симметричной пары, питаемой двумя парафазными сигналами

При этом логические элементы должны иметь дифференциальные входы-выходы (подавление симфазных помех).

3) Кроме этого применяются симфазные трансформаторы:

Применяются при наличии дифференциальных передатчиках. В них существенно может быть повышена помехоустойчивость за счет компенсации наведенной помехи.

4) Установка конденсаторов на сигнальный проводник (простейший способ):

Плюсы: фактически ФНЧ, недостаток — появление задержек и искажение фронтов.

 

Длинные линии можно подключать не только к специальным передатчикам, то также непосредственно к схемам микропроцессоров. При этом накладываются ограничения:

· время нарастания импульса ~ 30 нс и более

· линия связи, не снабженная специальными средствами для подавления отраженных волн и помех имеет ограниченную длину.

При использовании в качестве длинных линий витых пар обратный провод необходимо подключить к общему проводу, причём сделать это непосредственно у приёмника и передатчика:

В качестве критической длины используется следующее:

Паразитные колебания в коротких линиях связи возникают из-за высокой добротности линии.

Поскольку схему можно преобразовать к такому виду:

Образуется ни что иное, как ФНЧ, который имеет АЧХ вида:

В связи с этим это отражается на фронте импульса, поскольку срезаются ВЧ составляющие спектра.

Для устранения паразитных колебаний используют ферритовые шайбы (феррит кольцо на проводнике) для увеличения индуктивности и снижения добротности:

Колебания могут носить затухающий или апериодический характер:

Добротность в основном зависит от индуктивности, потери:

Потери:

А резонансная частота колебаний: f₀ = 1/ 2*π*√(Lп*(Сл+Свх))

Наибольшее проявление колебательный процесс имеет в быстродействующих схемах, уже при длине проводника длиной 25…30 см и особенно при перепаде с единицы в нулевое состояние.
18. Перекрестные помехи в коротких линиях связи.

С повышением плотности монтажа и размещения элементов между сигнальными проводниками возникает множество емкостных и индуктивных связей. Импульсные токи, протекающие по сигнальным цепям вследствие наличия паразитных связей, создают перекрёстные помехи. Величина этих помех не должна превышать допустимого предела и вызывать ложного срабатывания логических элементов.

Условно примем, что верхняя линия – активная – там протекает ток, а нижняя – пассивная – там просто уровень нуля или единицы. В реале же обе линии активные.

Тогда эквивалентная схема активной линии:

 

Появились 2 источника: тока – от емкостной помехи, и ЭДС – от индуктивной помехи. Их величина определяется:

перепады тока и напряжения в активной линии. Это можно проиллюстрировать следующим образом.

Влияние индуктивной связи:

Влияние емкостной связи:

Во втором случае всё будет зависеть от включения пассивной линии.

Актив. и пассив. линии м. б. включены:

А) Согласное включение:

Б) Встречное включение:

Временные диаграммы помех:

а) б)

Из диаграмм согласного включения видно, что при определенных условиях индуктивная и емкостная помехи могут компенсировать друг друга. В случае встречного включения компенсации нет.

Напряжение помехи можно вычислить из следующего выражения:

- перепады I и U в активной линии, - длительность фронта импульса в активной линии, - постоянная времени в пассивной линии. И вычисляется она:

Решение этого уравнения является действительным, если выполняется условие линеаризации фронтов линии:

А графически это выглядит следующим образом:

Таким образом, емкостная помеха существенна при больших перепадах напряжения в линии и больших сопротивлениях выхода схемы, чему способствует также малое волновое сопротивление линии.

Индуктивная помеха существенна при больших перепадах тока в линии, малых выходных сопротивлениях линии и больших волновых сопротивлениях, то погонная индуктивность в этом случае большая.

Для ТТЛ схем из-за низкого выходного сопротивления открытой схемы (состояние «0» при 10-30 Ом) преобладает отпирающая индуктивная помеха, и её величина максимальна при большом количестве нагрузок в активной линии.

Из-за значительно большего сопротивления закрытой схемы (состояние «1») запирающие помехи имеют емкостной характер, индуктивная компонента не вызывает в этом случае запирающего тока в пассивной линии и не может привести к сбою.

Емкостные помехи максимальны при малом числе нагрузок в активной линии. Для быстродействующих ТТЛ схем емкостной запирающей компонентой помехи можно пренебречь.

=> В маломощных ИС моно рассматривать только емкостную помеху. А в мощных – только индуктивную.

19. Импеданс цепей питания. Топология цепей питания печатных плат. Статистические помехи в цепях питания.

Помехоустойчивость цепей питания рассматривается ещё и при начальном проектировании устройства, и существует 4 возможности прокладки цепей питания и заземления:

1. расположить как придётся;

2. расположить компланарно, то есть параллельно в одной плоскости (а);

3. использовать параллельные шины питания, то есть с двух сторон друг над другом, при этом будет лучшее подавление помех (однако возникают проблемы с разводкой сигнальных проводников) (б);

4. использование заземляющих плоскостей для шин питания – применение многослойных печатных плат (в).

Для оценки качества цепей питания используется его импеданс. Чем меньше импеданс цепи, тем меньше падение напряжения на цепях питания, тем меньше помеха. Наименее возможный импеданс шин питания достигается при использовании многослойного печатного монтажа. При использовании двухслойных печатных плат часто применяют такую схему:

Это упрощает разведение сигнальных проводников.

Помехи в цепях питания возможны из-за падения напряжения на активном сопротивлении шин питания при протекания по ним постоянных токов, а также возможно возникновение ЭДС самоиндукции про протекании импульсных токов. Первый вид помех – статические помехи, второй – динамические (импульсные), а помехоустойчивость соответственно статическая и динамическая.

Статические помехи

Чтобы свести к минимуму постоянную помеху необходимо выбрать такую конструкцию шины питания, при которой падение напряжения постоянного тока было бы меньше заданного допустимого, рассчитанного из допустимой помехоустойчивости ИС.

Это эквивалент того, что сказано.

Видно, что каждый последующий элемент питается меньшим напряжением. Последние элементы имеют наименьшую помехоустойчивость.

Чтобы записать уравнение, предполагают, что токи одинаковые через логические элементы, а сопротивления резисторов тоже одинаковые, тогда можно записать ля последнего элемента:

А для первого элемента:

Ну и общее падение напряжения:

 

20. Импульсные помехи в цепях питания. Развязывающие конденсаторы

Импульсные помехи обусловлены наличием паразитных индуктивностей шин питания и бросками тока при переключении логических элементов. Протекание переменных составляющих токов потребления интегральных схем по цепям питания и земли приводит к возникновению ЭДС самоиндукции, выступающей как паразитная импульсная помеха.

Если пренебречь активным сопротивлением шины питания, то получим эквивалентную схему:

е – источник ЭДС самоиндукции.

Предположим, что шины питания и перепады токов одинаковы, тогда этот источник ЭДС:

Помехи общие (по всей длине шины питания):

А индуктивность шины должна быть:

Снижение импульсных помех, кроме как снижением индуктивности, может быть осуществлено применением индивидуальных развязывающих конденсаторов.

Применение конденсаторов развязки для уменьшения импульсных помех позволяет уменьшить эквивалентную паразитную индуктивность шин питание-земля путём создания индивидуального источника энергии для обеспечения тока потребления в момент переключения микросхемы, то есть в момент переключения перепад тока происходит за счёт конденсатора, а не за счёт шины питания.

Заряд на рязвязывающем конденсаторе должен быть больше или равен заряду переключения:

импульсная помехоустойчивость.

Ёмкость определяется из соотношения:

Поэтому для развязки применяют такие типы конденсаторов, которые имеют минимальную собственную индуктивность (керамические), а длина выводов при монтаже должна быть минимальной.

Для серии ТТЛ и ТТЛ Шотки средней степени интеграции ёмкость развязывающих конденсаторов равна от 10 до 100 нФ на 1 корпус. Для серии по КМОП технологии достаточно 1 нФ на корпус. Если эти условия выполнены и осуществлена разумная компоновка элементов, то помехи и нарушения функционирования в таких схемах из-за шин питания становятся невозможны.

Допускается импульсная помеха по шине питания до 0.5В, а если нет внешних источников, то помеха может быть выше.

Дополнительные элементы развязки могут потребоваться в тех случаях, когда от одних и тех же шин питания питаются как логические, так и аналоговые схемы. (Для схем только на логических элементах нет смысла увеличивать стоимость изделия, чтобы получить идеально чистое питание). Помимо развязывающих конденсаторов на каждую печатную плату устанавливается групповой конденсатор развязки; он предназначен для защиты бросков тока в системе питания, которые могут вызвать медленные колебательные процессы, с этой целью устанавливаю конденсатор большой ёмкости:

 

 

 

21. Экранирование. Основные принципы теории экранирования от э/м волны.

При прохождении мощных сигналов по цепям последние становятся источниками электромагнитных помех. Для того, чтобы локализовать, где это важно, действие источника помех, или защитить сам приёмник помех, используют электромагнитные экраны (ЭМЭ).

По принципу действия различают электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное экранирование.

Параметром степени защиты является эффективность экранирования:

В этих выражениях напряжённость поля до экрана и после экрана.

Основная концепция экранирования построена на базе теории поля и теории цепей. Наиболее часто применяется теория поля.

При этом предполагается, что волна плоская и расстояние от источника большое.

 

Волновое сопротивления среды для распространения ЭМВ является определяющей характеристикой этой среды и представляет собой соотношение:

Полное характеристическое сопротивление:

проводимость среды.

Для воздуха .

Характеристическое сопротивление для проводящей среды в дальней зоне:

В ближней зоне поля источника волновое сопротивление определяется не средой, а характеристиками самого источника: