Шумы цифровых схем

Хотя все рассмотренные выше методы шумоподавления применимы как к аналоговым (линейным), так и к цифровым схемам, полезно посмотреть, как некоторые особенности цифровых схем влияют на их шумовые характеристики. Интегральные логические вентили, потребляющие постоянный ток всего лишь в несколько миллиампер, на первый взгляд, не представляются источниками серьезных помех. Однако, если учесть высокую скорость их переключения проблема становится очевидной. Так, например, типичный вентиль ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) потребляет в состоянии «включен» постоянный ток 5 мА и в состоянии «выключен» 1 мА. Изменение тока при переключении составляет всего лишь 4 мА, но оно происходит за 5 нс. Если провод питания имеет индуктивность 0,5 мкГ, при изменении состояния одного вентиля на проводнике питания возникает напряжение шумов .

Если учесть большое число вентилей, составляющих типичную систему, и если принять во внимание, что такие логические схемы питаются от источника напряжением всего 5 В, становится очевидным, что эти шумы могут составить серьезную проблему.

Когда разработчик имеет дело с импульсными и цифровыми схемами ему полезно иметь хотя бы приблизительное представление о частотном спектре импульсных сигналов. Если известна длительность фронта импульса t _Ф, то для оценки максимальной эквивалентной частоты полезно следующее выражение .

Всплески тока и большие зарядные токи обусловлены емкостными нагрузками цифровых схем, хотя бы из-за наличия монтажных и других паразитных емкостей.

поэтому к каждому корпусу интегральной схемы требуется подключать конденсаторы высокочастотной развязки.

Втипичных случаях на корпусы между шинами питания ставят конденсаторы емкостью 0,01 – 0,02 мкФ; их следует располагать рядом с корпусами, а не группировать вместе в одной точке печатной платы. Однако для корпусов, которые расположены на печатной плате рядом друг с другом, можно использовать один конденсатор на несколько (до пяти) корпусов.

Кроме того, на каждой печатной плате в месте ввода шин питания следует также ставить дополнительный конденсатор развязки питания емкостью 10 – 100 мкФ.

Провода разводки питания необходимо прокладывать таким образом, чтобы линия передачи имела возможно меньший импеданс Z ₀; в этом случае может оказаться полезной шинная оборка, показанная выше на рис.2. Во избежание «звона» (колебаний выходного напряжения около конечного установившегося значения после резкого переключения схемы) соединительные сигнальные проводники между вентилями должны иметь длину не более 15 см. Поскольку быстродействующие логические схемы генерируют высокочастотные колебания, с ними следует обращаться как с высокочастотными схемами.

Каждая печатная плата, содержащая большое число логических схем, должна иметь хорошее заземление.

Заземлением может служить либо шина, обладающая малым сопротивлением, либо заземляющая поверхность, (покрывающая не менее 60% площади печатной платы. Заземляющая поверхность обеспечивает малую индуктивность возвратной земли питания и создает возможность получения полных сопротивлений, независящих от частоты.

Шины питания, применяемые для логики такого типа, следует делать как можно более широкими (не менее 2,5 мм), чтобы свести к минимуму их индуктивность. Надо избегать образования контуров заземления на печатной плате или вне ее.

Чтобы предотвратить нежелательные переключения и генерацию шумов, все незадействованные входы следует подключить к источнику опорного напряжения, а не оставлять их свободными. Обычно эти входы подключаются либо через последовательное сопротивление к положительному источнику питания, либо к земле.

В таблице приведены типичные характеристики различных семейств цифровых интегральных логических схем. В колонке «генерация шумов» схемы оцениваются с точки зрения излучаемых и наводимых шумов. Больше всего шумов генерируют логические схемы ТТЛ, меньше всего – логические схемы с высоким порогом (ВПЛ). Скорость переключения вентиля пропорциональна задержке распространения сигнала, указанной в таблице. Наибольшим быстродействием обладают ЭСЛ-схемы, наименьшим – ВПЛ.

В общем, чем выше скорость переключения, тем больше уровень шумов. Однако в случае ЭСЛ-схем это не так. Из-за симметричной конфигурации схемы вентиля его ток питания один и тот же как в открытом, так и в закрытом состоянии. При переключении вентиля ток не изменяется, и поэтому генерация шумов мала. Широко применяемые ТТЛ-схемы незначительно уступают ЭСЛ-схемам в быстродействии, но генерируют приблизительно в 10 раз большие шумы.

Еще одна важная характеристика цифровых логических схем – их чувствительность к сигналам шумов. Приведенные в таблице данные по запасу помехоустойчивости по постоянному току определяются как величина импульсного напряжения шумов, подача которого на вход вентиля при логическом уровне с наименьшим порогом срабатывания вызывает переключение вентиля. Этот запас помехоустойчивости справедлив для импульсов шумов с длительностью, превышающей задержку распространения сигнала в логической схеме. Для импульсов шумов с длительностью, меньшей задержки распространения, запас помехоустойчивости будет выше, чем приведенный в таблице. Наиболее чувствительны к шумам схемы РТЛ, наименее чувствительны – схемы ВПЛ и КМОП-логики.