Цепям питания

Одной из задач при проектировании и эксплуатации цифровых устройств является борьба со сбоями из-за помех. Типовой проблемой здесь является наличие токовых импульсов в цепях питания ИС.

При переключении элементов в цепях питания создаются кратковременные импульсные токи, благодаря чему сами эти элементы становятся источниками помех для соседних элементов.

Токовые импульсы в цепях питания создаются сквозными токами выходных каскадов типов ТТЛ(Ш) и КМОП, а также помехами перезарядки емкостей, что свойственно и всем другим типам элементов.

Импульс сквозного тока переключающего элемента 1 (Рис.14.4) Iскв протекает через транзисторы выходного каскада от источника питания Uсс на общую точку GND через линии, имеющие полное сопротивление Zcc и Z_GND.

Главную часть сопротивления составляют индуктивности линий, на которых выделяются напряжения U_L.

Протекание сквозного тока создает на линии питания отрицательный импульс, а на общей точки («земли») – положительный.

Эти импульсы воздействуют на подключенный вблизи элемента 1 элемент 2.

Рис.14.4. Схемы поясняющие процесс возникновения импульсных помех при переключении цифрового элемента

Если, как показано на Рис.14.4., элемент 2 находится в состоянии логического нуля, то его выход через насыщенный транзистор выходного каскада, отображаемый замкнутым ключом, связан с линией GND, следовательно, импульс с этой линии попадает на выход элемента 2, откуда сможет распространяться далее по обычным сигнальным цепям.

При единичном состоянии элемента 2 на его выход пройдет отрицательный импульс помехи с линии источника питания.

Для борьбы с этими опасными помехами нужны «хорошая» земля и фильтрация напряжений питания.

«Качество земли» улучшается конструктивными мерами, снижающими сопротивление Z_GND:

· шины «земли» делают утолщенными;

· нередко для их реализации отводят целые плоскости многослойных конструкций (плат и кристаллов);

· систему «заземления» соединяют с несколькими выводами корпуса, чтобы сократить пути прохождения токов в этой системе и др.

Для шин питания схемы наряду с конструктивными методами применяют и схемотехнические:

· в цепи выходных каскадов добавляют небольшие сопротивления, ограничивающие сквозные токи и токи перезаряда емкостей;

· используют элементы с управляемой крутизной фронтов для уменьшения производных сигнальных напряжений и токов;

· применяют развязывающие каскады на выходах ИС для ограничения емкостных нагрузок на этих выходах;

· используют фильтрацию питающих напряжений.

Для фильтрации напряжений питания между линиями Uсс и «землей» включают конденсаторы.

Высокая эффективность этого метода борьбы с паразитными связями элементов через цепи питания связана со следующим обстоятельством. Цифровые узлы и устройства питают от высококачественных блоков питания со стабилизированным выходным напряжением. Такие источники имеют очень малые выходные сопротивления за счет применения глубоких обратных связей в схемах блоков питания. Однако цепь обратной связи инерционна и не успевает обрабатывать короткие импульсные помехи. Поэтому для коротких помех выходное сопротивление источника не обеспечивает того низкого уровня, которое оно имеет в статике.

Установка фильтрующих конденсаторов Сф создает путь (Рис.14.5) по которому замыкаются импульсы сквозного тока и токи перезарядки емкостей, минуя сопротивление Zcc.

Рис.14.5. Пути протекания сквозного тока при наличии в схеме фильтрующего конденсатора

Естественно конденсаторы должны иметь малое сопротивлении для высокочастотных сигналов, поэтому для фильтрации выбирают те ее типы конденсаторов, которые имеют малые паразитные индуктивности.

Рекомендации по числу, типу и емкости фильтрующих конденсаторов приводятся в руководящих материалах по применению конкретных типов ИС.