Паразитные связи цифровых элементов по цепям питания

Одной из важнейших задач при проектировании ЦУ является борьба со сбоями из-за помех. Типовой проблемой здесь является, в частности, наличие токовых импульсов в цепях питания ИС.

При переключениях элементов в цепях питания создаются кратковременные импульсные токи, благодаря чему сами элементы становятся источниками помех для соседних элементов. Токовые импульсы в цепях питания создаются сквозными токами выходных каскадов, а также токами перезаряда емкостей.

Для определенности рассмотрим сквозные токи, практически то же самое относится и к токам перезаряда емкостей.

Импульс сквозного тока переключающегося элемента 1 (рис. 7, а) протекает через транзисторы выходного каскада, условно изображенные замкнутыми ключами, от источника питания на общую точку схемы GND через линии, имеющие полные сопротивления и.

а

б

Рис. 7

Главную часть сопротивлений составляют индуктивности линий, на которых происходит падение напряжения. Протекание сквозного тока создает на линии пи­тания отрицательный импульс, а на линии общей точки («земли») – поло­жительный. Эти импульсы воздействуют на подключенный вблизи элемента 1 элемент 2. Если элемент 2 находится в состоянии логического нуля, то его выход через насыщенный транзистор выходного каскада (на рис. 7, а изображен замкнутым ключом) связан с линией GND. Следовательно, импульс с этой линии попадет на выход элемента 2, откуда может распространяться и 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 необходимо уменьшать сопротивление (говорят, нужна «хорошая земля», понимая под этим обеспечение минимального значения сопротивления) и предусматривать фильтрацию напряжений питания.

Снижение сопротивления достигается конструктивными мерами: шины «земли» делаются утолщенными, для их реализации отводят целые слои многослойных конструкций (печатных плат и кристаллов), систему «заземления» соединяют с несколькими выводами корпуса ИС, 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; применяют развязывающие каскады на выходах ИС для ограничения емкостных нагрузок на этих выходах; используют фильтрацию питающих напряжений.

Для фильтрации напряжений питания между линиями и GND 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 отрицательных обратных связей в схемах блоков питания. Однако цепь обратной связи инерционна и не успевает отрабатывать короткие импульсные помехи. Поэтому для коротких помех выходное сопротивление источника не обеспечивает того низкого уровня, которое оно имеет в статическом режиме. Установка фильтрующих конденсаторов создает путь (рис. 7, б), по которому замыкаются импульсы сквозного тока и токи перезаряда емкостей, минуя сопротивление. При этом конденсаторы должны иметь малое сопротивление для высокочастотных сигналов, поэтому для фильтрации должны выбираться те типы конденсаторов, которые имеют малые паразитные индуктивности.

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