Применение ТТЛ микросхем

Применение ТТЛ микросхем

Для успешного применения ИС ТТЛ в электронной вычислительной аппаратуре (ЭВА) и обеспечения надежной работы необходимо знать технические характеристики ИС, строго руководствоваться требованиями технических условий по режимам эксплуатации и правилам электромонтажа, не допускать выхода параметров за значения, указанные для предельных режимов эксплуатации. Только тогда можно избежать ошибок, которые, несмотря на правильное логическое проектирование схемы, не позволяют обеспечить ее надежную работу.

В данной главе изложены некоторые особенности применения ИС ТТЛ, которые не всегда учитываются разработчиками ЭВА, что приводит к нарушениям электрических режимов эксплуатации ИС, снижению надежности ИС и аппаратуры в целом.

Особенности применения логических элементов ТТЛ

Обеспечение нагрузочной способности по постоянному току при работе ИС ТТЛ друг на друга. Все ИС ТТЛ по логическим уровням напряжения совместимы друг с другом. Однако по нагрузочной способности ИС разных серий имеют известные различия. В пределах одной серии ИС, как правило, обладают одинаковой нагрузочной способностью или, иначе, одинаковым коэффициентом разветвления, определяемым числом входов эквивалентных ЛЭ, которые могут быть подключены к выходу каждого из них. Исключение составляют микросхемы, содержащие логические элементы с более мощными выходными каскадами, например буферные формирователи, схемы сопряжения с магистралью, схемы с повышенным коэффициентом разветвления. Чем выше нагрузочная способность логических элементов ИС, тем больше их логические возможности.

Превышение нагрузочной способности по отношению к заданной техническими условиями приводит к ухудшению других параметров ИС: снижению быстродействия, увеличению потребляемой мощности, ухудшению помехоустойчивости и надежности. Поэтому при конструировании ЭВА необходимо правильно оценивать нагрузочную способность микросхемы по постоянному току, особенно при работе микросхем разных серий друг на друга, и стремиться к снижению нагрузки.

При работе ИС друг на друга выходной ток ЛЭ определяется входными токами управляемых ИС и задается для неблагоприятного рабочего режима в допустимых пределах изменения температуры окружающей среды и напряжения питания для входного напряжения как низкого (лог. 0), так и высокого (лог. 1) уровня. При наличии на одном из входов логического элемента ИС (например, серии К155) напряжения, соответствующего лог. 0, через эмиттер входного транзистора вытекает максимальный ток. Для базового логического элемента (со стандартным выходом) ИС серии К155 он составляет 1,6 мА и имеет отрицательный знак. При поступлении на каждый вход сигнала, равного единице, через эмиттер входного транзистора втекает ток 40 мкА. При этом токи, втекающие в микросхему, имеют положительный знак.

Таблица 4.1

Таблица 4.2

Рис. 4.1. Цепь нагрузки на ИС серий К555, К155, К531

При объединении двух или более входов одного ЛЭ входной ток при сигнале, равном 0, не возрастает, а при сигнале 1 входные токи суммируются, поэтому управляющий ЛЭ должен обеспечить суммарный ток утечки всех используемых входов управляемых схем. При расчете нагрузочной способности управляющей схемы это необходимо учитывать: при объединении нескольких входов одного ЛЭ, например И—НЕ, ток остается неизменным, а ток увеличивается пропорционально числу объединяемых входов. В табл. 4.1 приведены значения входного тока при объединении нескольких входов одного ЛЭ, подключенных к одному выходу управляющего ЛЭ.

Лучшим способом определения суммарного тока нагрузки при совместной работе ИС ТТЛ различных серий является сложение входных токов, заданных ТУ. В табл. 4.2. приведены расчетные токи ЛЭ К555ЛАЗ, нагруженного на ЛЭ К531ЛН1 и на объединенные входы ЛЭ К155ЛА4 и К555ЛА1 (рис. 4.1).

Превышение выходных токов ИС может привести к снижению запасов помехоустойчивости по уровням лог. 0, лог. 1, определяемых относительно входных пороговых напряжений ИС, и не гарантирует установленные техническими условиями на ИС уровни выходных напряжений 0 и 1. При оценке токовых нагрузок ИС ТТЛ необходимо учитывать, что входные токи во входных цепях некоторых ИС (например, буферные, триггерные, повышенной функциональной сложности) больше входных токов обычных ЛЭ.

В тех случаях, когда требуется обеспечить нагрузочную способность, превышающую возможности одиночного ЛЭ, допускается объединять выходы двух ЛЭ, находящихся в одном корпусе, при условии объединения и их соответствующих входов (рис. 4.2). При этом нагрузочная способность увеличивается в 1,9 раза. Для обеспечения большого тока в серии К155, К555, К531 введены схемы с повышенной нагрузочной способностью как с двухтактным выходом (типа К155ЛА6, К555ЛА6, К155ЛА12 К531ЛА12П, КМ555ЛА12), так и с открытым коллекторным выходом (типа К155ЛА7, К531ЛА7П, К555ЛА7, К133ЛА13, К531ЛА13П, К555ЛА13). Для работы на линию связи может быть использована ИС К531ЛА16П, имеющая улучшенную выходную характеристику при напряжении лог. 1, допускающую работу на 50-омную нагрузку и выходной ток 60 мА при <0,5 В.

Объединение выходов логических элементов. Выходные цепи ИС ТТЛ со стандартным выходом нельзя объединять по схеме Монтажное ИЛИ, так как при наличии одного включенного выхода (состояние 0) и одного выключенного выхода (состояние 1) из выходной цепи последнего будет вытекать ток, близкий току короткого замыкания по выходу, и напряжение на включенном выходе значительно возрастает вследствие большого втекающего тока. В результате уменьшится запас помехоустойчивости по уровню лог.0 и возрастет рассеиваемая обоими ЛЭ мощность. Возможность объединения по выходу имеется у ряда ИС ТТЛ с открытым коллекторным выходом и у ИС с тремя устойчивыми состояниями.

Микросхемы с открытым коллекторным выходом служат для реализации функции И—НЕ, а при объединении нескольких ЛЭ по выходам реализуется функция И—ИЛИ—НЕ. В этих схемах необходимо использовать внешний коллекторный резистор. Его сопротивление нужно выбирать таким, чтобы при 1 на выходе ЛЭ остаточные токи (токи утечки) выходных транзисторов и входные токи следующих схем создавали на резисторе падение напряжения менее 2,1 В, чтобы при любых условиях гарантировать напряжение лог. 1, равное 2,4 В. Кроме того, сопротивление резистора должно быть не менее определенного значения, чтобы при лог. 0 на выходе ИС ток, протекающий через резистор по цепи питания, и входной ток следующих схем не превышал максимально допустимого тока коллектора.

Сопротивление коллекторного резистора можно вычислить по следующим формулам:

где N — фактический коэффициент разветвления по выходу; К_об — фактический коэффициент объединения по выходу; U_п max, U_{п min} — максимальное и минимальное напряжения источника питания. Для примера приведем расчет допустимого сопротивления резистора при объединении ИС К155ЛА8 по выходу при работе на ИС К155ЛАЗ (рис. 4.3), где восемь соединенных между собой выходов ИЛИ (К = 8) должны питать четыре входа (N = 4):

.

Для облегчения расчета сопротивления внешнего резистора существуют таблицы и диаграммы. Чтобы не произошло значительного ухудшения крутизны положительного фронта выходного импульса, рекомендуется выбирать это сопротивление как можно меньшим.

Рис. 4.2. Параллельное включение по входу и выходу ЛЭ, находящихся в одном корпусе, на общую нагрузку При необходимости организации работы нескольких устройств на общую нагрузку наиболее целесообразным является использование ИС с тремя устойчивыми состояниями на выходе (состояние «высокого сопротивления»). Такие микросхемы имеются в ИС ТТЛ серий К155, К531, К555. К ним относятся некоторые типы мультиплексоров (К531КП11П, К531КП14П, К531КП15П, К555КП11, К555КП12, К555КП14, К555КП15), регистров хранения (К531ИР22П, К531ИР23П, К555ИР22, К555ИР23), магистральных буферных усилителей (К531АПЗП, К531АП4П, К555АПЗ, К555АП4), формирователей с управлением по входу (155ЛП10, К155ЛП11), логических элементов, инверторов (К155ЛП8, К155ЛН6, К4531ЛА17А, К531ЛА19П) и др.

Третье устойчивое состояние характеризуется тем, что выход ИС отключается от нагрузки и практически не потребляет ток ни в состоянии лог. 0, ни в состоянии лог. 1. Однако при расчете нагрузочной способности выходов, подключенных к общей шине, следует учитывать токи утечки в третьем состоянии. При сигнале 1 на внешней шине ток утечки является втекающим для микросхем, при сигнале 0 — вытекающим.

Рис. 4.3. Схема объединения по выходу ИС К155ЛА8

Рис. 4.4. Работа ИС с тремя устойчивыми состояниями на общую шину при напряжениях высокого (а) и низкого (б) уровня на ней Выход, находящийся в состоянии лог. 1, должен обеспечить достаточный ток на питание как входных цепей нагрузок, так и на восполнение токов утечки выходов ИС (рис. 4.4, а). Выход, находящийся в состоянии низкого уровня, должен иметь достаточный втекающий ток, превышающий объединенный входной ток ИС нагрузок и токи выключенного состояния всех остальных объединенных выходов (рис. 4.4, б).

В качестве примера приведем расчет выходных токов при объединении на внешнюю шину 11 выходов ИС К555КП15 и 9 нагрузок входов ИС К555ЛА4:

= 4 мА > 10 + 9 = 10•0,02 мА + 9•0,4 мА = 3,8 мА,

= 1 мА > 10 + 9 = 10•0,02 мА + 9•0,02 мА = 0,38 мА.

Следует помнить, что при работе на объединенную шину нескольких ИС ТТЛ разных серий нагрузочную способность определяет самый маломощный выход. Суммарная емкость внешней шины (магистрали), складывающаяся из емкости монтажа С_ш и входных емкостей ЛЭ, не должна превышать предельной емкости нагрузки С_{н пред}.

Влияние емкости нагрузки. Емкость на выходе ИС ТТЛ оказывает существенное влияние на ее статические и динамические параметры, поэтому в технических условиях на ИС ТТЛ вводятся ограничения на нагрузочную емкость. Под нагрузочной емкостью понимается суммарная емкость межсоединений, входов ИС — нагрузок (с учетом емкости монтажа), навесных емкостей. Гарантируемые нормы динамических параметров устанавливаются для оговоренной емкостной нагрузки:

где k — коэффициент разветвления; С_нг — емкость нагрузки управляющей схемы, при которой гарантируются временные параметры; C_{вх н i} — емкость входа управляемой схемы; C_{м i} — емкость монтажа одного входа управляемой схемы.

Превышение емкости нагрузки приводит к увеличению задержки распространения сигналов (,) и длительностей по отрицательного фронтов сигналов переключения (,).

Отдельные интервалы времени большей части ИС ТТЛ измеряются по выходным пороговым уровням (и) или, как принято в технической документации на ИС ТТЛ по уровням = 0,4 В (лог. 0) и = 2,4 В (лог. 1) (см. рис. 2.8). Длительность положительного фронта определяется как интервал времени, в течение которого напряжение возрастает от 0,6 до 2,2 В, длительность отрицательного фронта — как интервал времени, в течение которого напряжение снижается с 2,2 до 0,6 В. Задержки распространения сигналов измеряются по уровням 0,5 суммы входных пороговых напряжений. Задержку распространения сигналов при переключении ИС ТТЛ принято измерять при напряжении 1,5 В.

Нагрузочная емкость разряжается при токе, примерно в 2 раза большем, чем тот, при котором она заряжается. Из этого следует, что отрицательный фронт выходного сигнала имеет в два раза большую крутизну, чем положительный. При этом ухудшение крутизны фронта составляет около 0,05 нс/пФ для отрицательного и 0,1 нс/пФ для положительного фронтов выходного сигнала (рис. 4.5). Предполагается, что сигналы подаются одновременно, т. е. без учета задержки распространения. На рис. 4.6 показаны графики зависимости времени распространения сигналов от емкостной нагрузки для ИС серии К155.

Другое ограничение на емкость нагрузки ИС ТТЛ связано с обеспечением надежной работы ИС в аппаратуре. Как правило, в технических условиях устанавливается предельная емкость нагрузки С_н пред. При емкостной нагрузке, близкой к предельной, снижаются нагрузочная способность микросхем из-за появления дополнительных токов перезарядки емкости и помехоустойчивость, увеличиваются амплитуда и длительность выброса тока при переключении в выходной цепи ЛЭ, а также рассеиваемая мощность.

Выброс тока при переключении имеет место во всех ЛЭ с двухтактным выходом и рассматривается как один из недостатков ИС ТТЛ. Так, при переключении выхода ЛЭ из состояния лог. 0 в состояние лог. 1 транзистор VT4 (см. рис. 3.1) открывается раньше, чем закрывается транзистор VT5, что вызывает резкое увеличение потребляемого от источника тока, протекающего вплоть до момента выключения транзистора VT5. При подключении к выходу ЛЭ емкости рост выходного напряжения определяется временем заряда этой емкости током, протекающим через транзистор VT4. При малых емкостях происходит увеличение длительности выброса тока примерно до 20 нс, а при емкостях свыше 40 пФ — увеличение амплитуды выброса и сдвиг его максимального значения в область больших времен до тех пор, пока при емкости около 500 пФ максимальное значение тока не достигнет выходного тока ИС в режиме короткого замыкания. Типичная зависимость выброса тока от емкости на выходе схемы для логического элемента ИС ТТЛ показана на рис. 4.7, где за нулевой уровень тока принят начальный ток питания.

При переключении ЛЭ из состояния лог. 1 в состояние лог. 0 емкость нагрузки начинает разряжаться через транзистор VT5. Амплитуда тока при этом может достигать 50 мА, а длительность определяется емкостью нагрузки С_н.

В таблице 4.3 представлены значения емкости нагрузки, при которых гарантируются динамические параметры и предельная емкость нагрузки для ИС серий К155, К555, К531, КР1533, КР1531. В ТУ исполнения на конкретные ИС указанных серий нормы на допустимые емкостные нагрузки могут иметь отличия от приведенных в табл. 4.3.

Внешние сигналы ИС ТТЛ. Сигналы, поступающие на вход ИС ТТЛ, должны отвечать определенным требованиям, так как в противном случае не может быть обеспечена безотказная работа логических элементов. Это относится как к уровням входных положительных и отрицательных напряжений, так и к длительности фронтов входных сигналов.

Таблица 4.3

Рис. 4.5. Влияние емкости нагрузки на фронты сигналов переключения логического элемента ИС ТТЛ Рис. 4.6. Области изменения времени задержки распространения в зависимости от емкости нагрузки ИС серии К155

Рис. 4.7. Зависимость выброса тока от емкости нагрузки при переключении ЛЭ ТТЛ из состояния лог. 0 в лог. 1 (режим короткого замыкания) Положительные входные напряжения, поступающие на вход ИС серий К155, К555, КР1531, не должны превышать 5,5 В. Микросхемы серии К531 испытываются при входном напряжении 5 В, микросхемы КР1533 — при напряжении 6 В. Максимальное входное напряжение гарантируется для наиболее неблагоприятного случая, когда вход ИС серий К155, К531 испытывается при входном пробивном токе до 1 мА, в то время как все остальные входы соединены с общей шиной. Входной пробивной ток ИС серий К555, КР1533 не должен превышать 0,1 мА (для ИС К555ЛАЗ — 0,2 мА). Если практически нельзя гарантировать указанные значения входных напряжений, то следует обеспечить ограничение входного пробивного тока значением не более 1 мА для ИС серий К155, К531 и 0,1 мА для ИС серий К555, КР1531, КР1533. Превышение указанных значений входного пробивного тока не допускается из-за опасности выхода микросхем из строя.

При наличии отражений в линиях связи важное значение имеет возможный диапазон отрицательных входных напряжений. Чтобы предотвратить выход микросхемы из строя, необходимо ограничить либо входное напряжение, либо входной ток. Следует иметь в виду, что все современные ИС ТТЛ имеют на входе так называемые демпфирующие (антизвонные) диоды VD1— VD4 (см. рис. 3.1) для исключения ложных срабатываний при наличии в линиях связи отражений сигнала. Первым отрицательным выбросом напряжения, амплитуда которого превышает 0,8 В, демпфирующий диод открывается. В результате амплитуда выброса на этом уровне ограничивается значением 0,8 В. Так как амплитуда последующего положительного выброса напряжения определяется амплитудой первого, то амплитуда первого становится значительно меньше 0,8 В, что не больше порогового напряжения. Следовательно, демпфирующие диоды ИС ТТЛ повышают их помехоустойчивость при отражениях сигналов, вызванных отрицательными фронтами импульсов. Более подробно влияние демпфирующих диодов на характер отражений в линиях связи рассмотрено в § 4.2.

Таблица 4.4

(Примечания. Для указанных режимов значения параметров не регламентируются. При превышении этих значений микросхема может выйти из строя.

2. В TV исполнения значения параметров предельных режимов могут быть отличными от приведенных в табл. 4.4.)

Для гарантии работоспособности демпфирующих диодов в ТУ вводится критерий их оценки, определяемый отрицательным входным напряжением при заданном входном (вытекающем) токе. Для ИС серий К155 и К555 отрицательное напряжение на демпфирующем диоде не должно превышать 1,5 В при заданном входном вытекающем токе 10 (К 155) и 18 мА (К555). Для ИС серии К531 соответствующее напряжение не должно превышать 1,2 В при входном токе 18 мА.

Указанный режим для проверки демпфирующих диодов не следует рассматривать как эксплуатационный и вести по нему расчет параметров аппаратуры.

В таблице 4.4 приведены предельные электрические режимы работы ИС серий К155, К555, К531, КР1533, КР1531.

При проектировании аппаратуры необходимо учитывать и такую особенность ИС ТТЛ, как критичность большинства микросхем к длительности фронтов входных сигналов. Когда одна ИС ТТЛ управляет другой, изменение входного напряжения последней происходит быстро и входной сигнал пересекает пороговую зону, которая находится в пределах установленных в технических условиях пороговых напряжений от 0,8 до 2,0 В еще до начала изменения выходного напряжения. Однако при подаче медленно изменяющегося сигнала выходное напряжение может начать изменяться до того, как входной сигнал пересечет пороговую зону. В этом случае ИС ТТЛ находится в режиме усиления и наличие любой паразитной обратной связи может вызвать генерацию. Эта обратная связь может осуществляться через цепь питания данной ИС, соединения на печатной плате и собственные паразитные емкости, имеющиеся на кристалле ИС. Следовательно, если входное напряжение ИС находится в пороговой зоне в течение времени, превышающего задержку ИС, то возникает опасность генерации.

Кроме того, увеличение длительности фронтов входного сигнала приводит к увеличению амплитуды и длительности выброса тока (так называемого «сквозного» тока) в выходном каскаде ИС. Чрезмерное увеличение этого тока может привести к выходу микросхемы из строя. Технические условия на ИС устанавливают предельно допустимые значения длительности фронтов для входных сигналов. Для ИС серий К155, К555 они не должны превышать 150 нс, для K531, КР1531 — 100 нс, для КР1533 — 1 мкс, если иное не оговорено в ТУ исполнения. Например, часть ИС серии К155 (К155КП5, К155ЛП5, К155ИДЗ, К155ЛА15, К155ИД1) имеют предельно допустимую длительность фронтов входных сигналов, , равную 1 мкс.

Если для управления микросхемами предполагается использовать импульсы с длительностью фронта, превышающей допустимую, то для формирования крутых фронтов следует использовать микросхемы типа К155ТЛ2, К555ТЛ2 (триггер Шмитта), либо ИС с открытым коллекторным выходом типа К155ЛА7, К155ЛА8, К555ЛА7, для которых длительность фронтов входного сигнала не критична. Однако следует помнить, что при запуске ИС, имеющих ограничение по ф_ф, от ИС типа К155ЛА7, К155ЛА8 длительность фронтов выходного сигнала последних, зависящая от длительности фронтов входных сигналов, не должна превышать приведенных значений.

Следует помнить, что при использовании механических контактов (переключатели, контакты реле и т. д.) возможны нарушения в работе устройства, вследствие вибраций, возникающих при замыкании и размыкании контактов («дребезг»). В результате вместо сигнала определенной формы за короткий момент времени возникает несколько импульсов, которые воспринимаются последующей схемой как отдельные сигналы и могут вызвать разрушения работы устройства. Для исключения ложного срабатывания следует использовать ИС типа К555ТР2 либо схемотехническое решение, приведенное в качестве примера на рис. 4.8.

Неиспользуемые входы ИС ТТЛ. Как показала практика применения ИС ТТЛ как логических, так и триггерных схем, на помехоустойчивость и быстродействие их работы могут оказывать влияние входы, которые не используются в электрической схеме и остаются разомкнутыми. Известно, что каждый вход ИС обладает паразитной емкостью по отношению к выводам питания, земли, отдельным элементам ИС. Например, каждый вход многоэмиттерного транзистора обладает емкостью относительно базы транзистора 1,5—3,5 пФ в обесточенном состоянии. При переключении из-за этой емкости происходит дополнительная задержка распространения сигнала. В случае нескольких разомкнутых входов паразитные емкости оказываются включенными параллельно, и в результате дополнительная задержка увеличивается.

Рис. 4.8. Схема устранения дребезга контактов Для исключения нежелательных эффектов, вызываемых этими емкостями, существуют специальные методы подключения неиспользуемых входов ИС. Наибольшее быстродействие ЛЭ достигается в том случае, когда неиспользуемые входы объединены и подсоединены к выходу управляющего ЛЭ. Однако следует учитывать, что при таком включении увеличивается нагрузка управляющего ЛЭ при лог. 1 на его выходе, т. е. необходимо проверять, не перегружен ли управляющий ЛЭ. В противном случае необходимо использовать другие способы подключения.

Неиспользуемые входы могут быть подключены к «плюсу» источника питания через резистор, сопротивление которого не менее 1 кОм. Один такой резистор обеспечивает подключение 20 входов ЛЭ.

Если напряжение источника питания ограничено величиной 4, 5 В, допускается подключать неиспользуемые входы непосредственно к шине источника питания.

Обеспечение помехоустойчивости

Статическая и динамическая помехоустойчивость. Одним из необходимых условий успешного применения ИС ТТЛ в аппаратуре является обеспечение их помехоустойчивости. Статическая помехоустойчивость по напряжению лог. 1 получается как разность между минимальным выходным напряжением лог. 1 и входным пороговым напряжением лог. 1 (-).

Статическая помехоустойчивость по напряжению лог. 0 есть разность между входным пороговым напряжением лог. 0 и максимальным выходным напряжением лог. 0 (-). Эти определения для ИС серии К155 иллюстрирует рис. 4.9. Ранее указывалось, что, фактически являются выходными пороговыми напряжениями 1 и 0 (,), которые определяют логический перепад напряжений на ИС с учетом всех дестабилизирующих факторов, устанавливаемых ТУ.

Таблица 4.5

Гарантированные выходные и допустимые входные напряжения, а также помехоустойчивость по лог. 0 и 1 ИС серий К155, К555, К531, КР1533, KP1531 в наихудшем случае (т. е. при наибольших разбросах напряжения питания и изменении температуры окружающей среды) приведены в табл. 4.5. Например, для ИС серии К555 минимальное выходное напряжение лог. 1 составляет 2,7 В, а входное напряжение, обеспечивающее переключение ИС, — 2 В, т. е. помехоустойчивость по уровню лог. 1 равна 0,7 В.

Рис. 4.9. К определению помехоустойчивости по постоянному току для двух логических состояний базовой ИС серии К155 (U_п = 5 В, К_раз = 10):

1 и 4 — гарантированные пределы выходного напряжения лог. 1 и лог. 0;

2 и 5 — допустимые пределы входного напряжения лог. 1 и лог. 0;

3 и 6 — помехоустойчивость по напряжению лог. 1 и лог. 0

Рис. 4.10. Зависимость допустимой импульсной помехи от ее длительности:

а — зона допустимой положительной помехи;

б — зона допустимой отрицательной помехи Устойчивость ИС ТТЛ к воздействию коротких импульсов помех различной амплитуды и длительности оценивается с помощью характеристики динамической помехоустойчивости, которая представляет собой зависимость допустимой амплитуды импульса помехи от его длительности. Таким образом, характеристика динамической помехоустойчивости ИС определяет границу, разделяющую область допустимых импульсов помех от области недопустимых импульсов помех. Характеристики динамической помехоустойчивости зависят от быстродействия ЛЭ, а также от коэффициента нагрузки и определяются как для положительных (относительно напряжения лог. 0), так и для отрицательных (относительно напряжения лог. 1) импульсов помех.

Из рис. 4.10, на котором приведен график зависимости амплитуды импульса помехи от длительности импульса помехи для ИС типа К155ЛА3 видно, что допустимая амплитуда положительной помехи асимптотически приближается к бесконечности при весьма коротких импульсах помехи и к значению статической помехоустойчивости, когда длительность импульса помехи больше времени задержки ИС.

В общем случае сигналы помехи имеют настолько большую длительность, что решающим фактором является помехоустойчивость по постоянному току.

Источники помех и способы их снижения. Помехи в логических системах могут проявляться в самой разнообразной форме и наводиться от самых разнообразных источников. Все помехи, которые могут явиться причиной ложного срабатывания чувствительных цепей аппаратуры, можно разделить на несколько видов:

внешние помехи, проникающие в систему из окружающей среды от различного рода излучателей электромагнитных сигналов, а также обусловленные действием электромагнитных и электростатических полей;

токовые помехи, по цепи питания, возникающие в результате выбросов тока при коммутационных процессах;

перекрестные помехи, наводимые одними сигнальными линиями в других сигнальных линиях;

отражения в линиях связи при несогласованной нагрузке.

Внешние помехи. Линия питания сама является прямым путем подвода этих помех, а также излучающей их антенной. Излученные помехи могут восприниматься незащищенными линиями связи или соединительными проводами, идущими к дистанционным пунктам управления, а они, в свою очередь, наводят помехи в аппаратуре. Внешние помехи могут также проникать в аппаратуру через вывод «земля», например при электростатическом разряде на кожух оборудования.

Для защиты от внешних помех используется экранирование от сигналов внешних и внутренних мощных каскадов, создающих помехи электромагнитного или электростатического характера. Экранированы должны быть все чувствительные к помехам цепи. Для защиты от электростатических полей экран может быть сделан из алюминия и других металлов, для защиты от электромагнитных полей — только из железа. Каждый экранирующий кожух должен быть подсоединен к общему заземлению низкоомным проводом. Если в самой системе содержатся элементы (реле, устройства защиты, двигатели и т. д.), создающие в проводниках заземления большие коммутационные токи, необходимо использовать раздельные шины заземления. Пространственное разделение элементов, а также экранирование логической системы обеспечивает надежную защиту от внешних помех и от помех, не обусловленных работой самих ИС ТТЛ.

Токовые помехи по цепи питания. Эффективным средством защиты ИС от помех по цепи питания является включение конденсаторов развязки между шинами питания и общей. В этом случае шина питания рассматривается как проводящий постоянный ток элемент, который имеет низкое сопротивление при протекании токов переходных процессов «на землю». Для качественной развязки необходимы конденсаторы, имеющие большую емкость для низких частот и малую для высоких. Обычно конденсаторы развязки устанавливаются отдельно для блокирования низкочастотных (С1) и высокочастотных (С2) помех (рис. 4.11).

Низкочастотные помехи, проникающие в систему по цепи питания, должны блокироваться с помощью электролитического конденсатора емкостью не менее 1,0 мкФ, из расчета один конденсатор на каждые пять-десять ИС. Устанавливать электролитические конденсаторы следует возможно ближе к контактам разъемов. Допускается устанавливать их и в других местах плат с микросхемами при условии, что не менее половины емкости сосредоточено у разъемов.

Для исключения высокочастотных помех развязывающие емкости в самом общем случае должны быть распределены по всей площади печатной платы равномерно относительно ИС, из расчета один конденсатор на группу не более чем 10 ИС, а емкость 0,002—0,001 мкФ на одну ИС. При этом необходимо, чтобы линия питания, обладала по возможности низким сопротивлением для протекания токов переходных процессов «на землю» и чтобы длина выводов развязывающих конденсаторов в непосредственной близости от ИС была минимальной. Это требование диктуется необходимостью блокирования высокочастотных напряжений, вызываемых всплесками тока, возникающими в цепи питания ИС.

Рис. 4.11. Схема развязки помех по цепи питания Эти напряжения создают тем большие помехи, чем большим сопротивлением высокочастотным помехам обладает линия питания. В частности, подобные перенапряжения определяются характером работы самих ИС ТТЛ. Как было показано (см. рис. 4.7), при переключении выходного каскада ИС из состояния лог. 0 в состояние лог. 1 оба выходных транзистора одновременно открываются на несколько наносекунд. При закрывании выходного транзистора VT5 (см. рис. 3.1) сначала должно произойти рассасывание заряда, накопленного в базе VT5, а это вызывает всплеск тока примерно 10 мА (без учета влияния емкости нагрузки) длительностью около 6 не в линии питания. Если одновременно выключаются несколько ЛЭ (с разбросом во времени не более 5 нс), то коммутационное перенапряжение соответственно увеличится. Конденсатор развязки, установленный в непосредственной близости от микросхемы, образует цепь низкого сопротивления для высоких частот и практически исключает влияние выбросов тока и напряжения.

Рис. 4.12. Зависимость амплитуды напряжения помехи от расстояния между логическим элементом ИС серии К155 и блокировочным конденсатором Кроме того, важным фактором, определяющим напряжение помехи, является расстояние между источником помехи (логическим элементом) и следующим блокировочным конденсатором. На рис. 4.12 показаны всплески напряжения, возникающие при переключении выходов ЛЭ из состояния лог. 0 в состояние лог. 1, в зависимости от расстояния l между ЛЭ и блокировочным конденсатором емкостью 0,01 мкФ и от числа n синфазно включаемых ЛЭ (волновое сопротивление линии 80 Ом). Из рис. 4.12 следует, что при l= 20 см амплитуда всплесков напряжения при выключении одного ЛЭ составляет 0,1 В. При увеличении числа синфазно включаемых ЛЭ амплитуда помехи существенно возрастает. В качестве блокировочных могут использоваться только безиндукционные конденсаторы (керамические или танталовые).

При проектировании печатных плат, содержащих ИС ТТЛ, необходимо обращать внимание на правильное распределение и топологию линий заземления для исключения возможных неблагоприятных всплесков напряжения. Этот эффект может проявиться в момент возрастания тока в выходном каскаде управляющего ЛЭ при его переключении в состояние лог. 0 (рис. 4.13). Тогда со входа управляемого ЛЭ D2 протекает ток через открытый транзистор управляющего ЛЭ D1 и затем по общей шине. Величина всплеска тока определяется паразитной емкостью С (сумма проходной и входной емкости), при этом длительность всплеска тока может достигать нескольких наносекунд. Приблизительно всплеск тока может быть рассчитан следующим образом: I_C =CДU/Дt = 30 (пФ) • 3 (В)/ 4 (нс)= 22,5 мА.

Если одновременно происходит несколько таких коммутационных процессов, то возрастает и ток, вызывающий всплеск напряжения на обладающей индуктивностью общей шине, а это в свою очередь может привести к ложному срабатыванию других ИС, связанных с этой шиной.

Практика применения ИС ТТЛ свидетельствует в пользу распределения проводников общей шины на плате таким образом, чтобы обратные токи протекали по возможно большему числу отдельных проводников. Все общие цепи, в том числе витой пары и коаксиального кабеля, необходимо подключить к «земле» с передающей и принимающей сторон. При использовании многослойных плат необходимо предусмотреть отдельные слои для общей шины и шины питания. Тогда в ряде случаев можно отказаться от применения блокировочных конденсаторов, предназначенных для устранения коммутационных всплесков тока. Если все же собственная емкость между внутренними слоями недостаточна для развязки по питанию, рекомендуется подключить между ними дополнительные конденсаторы.

Рис. 4.13. Коммутационный всплеск тока общей шине при включении ЛЭ

Перекрестные помехи являются следствием воздействия электромагнитных полей, которые возникают в соединительных линиях под действием положительных и отрицательных токов. Связанные электромагнитные поля оказывают воздействие на близко расположенные линии и наводят в них «перекрестные» помехи, которые могут привести к нарушению правильного функционирования аппаратуры.

В аппаратуре на ИС используются коаксиальные кабели, витые пары, одиночные провода и печатные проводники. Линии связи в виде коаксиального кабеля не создают перекрестных помех благодаря хорошей экранировке. Самыми простыми и дешевыми линиями связи являются одиночные провода. Однако с точки зрения подавления помех они обладают наихудшими характеристиками, поэтому разрешается использовать одиночные провода длиной до 25—30 см.

В качестве примера рассмотрим наиболее характерные случаи возникновения помех и их воздействия на ИС ТТЛ.

1. Передача сигнала осуществляется по параллельно расположенным проводникам в одном направлении (рис. 4.14. а). В этом случае наведенные в линии, связывающей элементы D3—D4, помехи пренебрежимо малы при переключении логического элемента D1 из состояния лог. 1 в состояние лог. 0 и наоборот вследствие малого выходного сопротивления D3.

2. Более критичным является случай (рис. 4.14,6), когда направления распространения сигналов в линиях противоположны. Из возможных режимов работы этой схемы наиболее опасны два:

1) в линии между D3, D4 действует напряжение лог. 0, а элемент D1 переключается из 0 в 1; на входе D3 появляется положительный всплеск напряжения с амплитудой, которая может превысить пороговое напряжение ЛЭ;

2) на линии между D3, D4 действует напряжение лог. 1, а элемент D1 переключается из 1 в 0. В этом случае на входе D3 возникает отрицательный всплеск напряжения, что также может вызвать срабатывание элемента D3.

Рис. 4.14. Схема передачи сигнала При увеличении длины сигнальных линий следует учитывать волновое сопротивление линии. Импульс, распространяющийся по линии, соединяющей элементы D3 — D4 (рис. 4.15), создает перекрестную помеху через полное сопротивление связи Z_CB в цепи между Dl, D2. Логические элементы могут находиться в одном из двух состояний. Амплитуда наведенной помехи зависит от типа используемой линии и от взаимного расположения линий. Если происходит переключение элемента D3, то по линии D3—D4 распространяется сигнал, амплитуда которого определяется выходным сопротивлением D3 и волновым сопротивлением линии:

U_ЛА=U_D3Z₀ / (R_{вых D3} + Z₀)

где U_ЛА — напряжение, передаваемое по активной линии передачи D3—D4; U_D3 — перепад напряжения на выходе D3; R_{вых D3} — выходное сопротивление D3; Z₀— волновое сопротивление линии. Эквивалентная схема связи приведена на рис. 4.16, а.

Отношение помеха-сигнал между линиями D3—D4 и Dl—D2 может быть вычислено с учетом сопротивления связи Z_CB. В месте связи (см. рис. 4.15) на линии D1— D2 подключены две параллельные линии — к элементам D1 и D2. Напряжение на пассивной линии

U_ЛП = U_ЛА ,

где U_ЛП — напряжение, передаваемое по линии передачи Dl—D2. Эквивалентная схема приведена на рис. 4.16, б. Так как входное сопротивление элемента D2 всегда велико по сравнению с волновым сопротивлением линии, на входе D2 действует полное напряжение пассивной линии D1 — D2. Поэтому U_BX D2 = 2 U_ЛП. Таким образом

U_BX D2 / U_D3 = Z₀ Z₀ / (R_{вых D3} + Z₀)(Z₀+ Z_CB).

При можно R_{вых D3}<< Z₀ записать:

U_BX D2 / U_D3 =(1+ Z_CB/ Z₀)^-1.

Это выражение и определяет значение отношения помеха-сигнал в линиях передачи.

Помеха, максимальна, когда передающая линия и линия, подверженная воздействию помехи, расположены близко друг к другу, но на большом расстоянии от общей шины. При этом линия имеет большое волновое сопротивление Z₀, но малое сопротивление связи Z_CB. Например, если линия состоит из двух проводов диаметром 1 мм, расположенных на расстоянии 0,8 мм друг от друга и 20 мм от общего провода, то волновое сопротивление линии 200 Ом, а сопротивление связи 80 Ом. При этом отношение помеха-сигнал U_BX D2 / U_D3 = (1 + 80/200)^-1 = 0,7, что для ИС ТТЛ совершенно неприемлемо. Необходимо стремиться уменьшить это отношение, исключить близкое расположение проводников. Если в указанном примере проводники расположить на расстоянии 1 мм от земляной шины, то Z₀ = 50 Ом и Z_CB = 125 Ом и

U_BX D2 / U_D3 = (1 + 125/50)^-1 = 0,28.

Это значение является критическим, особенно для быстродействующих ИС ТТЛ серии К531. При такой помехе, если и не нарушится работоспособность ИС, то существенно снизится помехоустойчивость. Типичное значение отношения помеха-сигнал, допустимое для ИС ТТЛ, составляет 0,2.

В случае использования витых пар показатель помеха-сигнал заметно улучшается. Если активная и пассивная линии выполнены витыми парами, расположенными рядом, то волновое сопротивление Z₀ = 80 Ом, Z_C = 400 Ом и

U_BX D2 / U_D3 = (1 + 400/80)^-1 = 0,16.

Это значение приемлемо для всех ИС ТТЛ.

Взаимное влияние витых пар может быть ослаблено дополнительным экранированием, тогда их помехоустойчивость приближается к помехоустойчивости коаксиального кабеля, но витые пары дешевле и удобнее в эксплуатации.

Пластина «земли»

Рис. 4.17. Несимметричная полосковая линия Рис. 4.18. Симметричная полосковая линия Рис. 4.19. Зависимости отношения помеха-сигнал от расстояния между проводниками полосковой линии Перекрестные помехи на печатных платах также определяются параметрами самой линии и паразитными реактивными связями между близко расположенными печатными проводниками. Наибольшая помеха возникает, если длина участка, на котором печатные проводники расположены рядом, больше критической, т. е. задержка распространения на этом участке превышает длительность фронта импульса, наводящего помехи. Несимметричная полосковая линия на плате состоит из сигнального проводника, отделенного от «земляной» пластины диэлектрическим материалом (рис. 4.17), а в симметричной полосковой линии сигнальный проводник размещен внутри изоляционного материала между двумя земляными пластинами (рис. 4.18). Параметры несимметричных и симметричных полосковых линий (е =5) в зависимости от их размеров Н и W приведены соответственно в табл. 4.6 и 4.7. Предполагается, что толщина t полосковых линий относительно размеров Н и W пренебрежимо мала.

Таблица 4.6

Таблица 4.7

Ориентировочные зависимости отношения помеха-сигнал К от параметров полосковой линии Н и S приведены на рис. 4.19. По этим зависимостям можно оценить максимальную перекрестную помеху при наихудших условиях, когда в параллельно расположенных линиях направления распространения сигналов противоположны. Из рисунка видно, что при уменьшении расстояния Н между проводником полосковой линии и земляной пластиной перекрестные помехи уменьшаются. При введении проводника массы между двумя сигнальными проводниками влияние перекрестных помех уменьшается в несколько раз, при этом земляной проводник должен быть приблизительно в три раза шире сигнальных проводников, а расстояния между проводниками должны быть равны ширине сигнальных проводников.

Отражения в линиях связи. При распространении сигналов в быстродействующих ИС ТТЛ накладываются определенные ограничения на длину линий связи, так как время распространения в линии становится соизмеримым с длительностью фронтов выходных импульсов. Когда соединение между двумя ЛЭ имеет такую длину, что логический перепад на выходе ЛЭ-передатчика (управляющего ЛЭ) сигнала отрабатывается раньше, чем на этот выход возвращается первый отраженный фронт сигнала от ЛЭ-приемника (управляемого ЛЭ) сигнала, такое соединение рассматривают как длинную линию. Несогласованность нагрузки с длинной линией приводит к возникновению отражений, которые снижают помехоустойчивость, увеличивают время задержки распространения сигналов.

Рис. 4.20. Отражения в линии при воздействии положительного фронта импульса Соединительные линии имеют погонную задержку около 5 нс на метр, т. е. изменение напряжения на одном конце линии вызывает изменение напряжения на другом конце не мгновенно. Например, скачок напряжения на одном конце линии длиной 2 м вызывает соответствующее изменение напряжения на другом конце линии только через 10 нс. Для однородной линии это изменение зависит от волнового сопротивления линии Z₀ и нагрузки на ее конце: сигнал отражается от конца линии и через определенный интервал времени снова приходит к передатчику, откуда опять отражается и т. д. Иными словами, переключение ЛЭ нельзя гарантировать до того момента, пока на вход линии не вернется первый отраженный фронт импульса и, таким образом, реальная задержка распространения увеличится на удвоенное значение задержки в линии.

Таким образом, основной причиной ограничения длины линий связи являются отражения от электрических неоднородностей. Любое изменение ширины печатного проводника, наличие сквозных отверстий в печатной плате, ответвлений от линии, подключение разъемов, рассогласование входных и выходных сопротивлений ИС с волновым сопротивлением линии являются неоднородностями длинной линии. Любая неоднородность вызывает появление отражений, в результате которых появляются импульсы, распространяющиеся в обратном направлении (ко входу линии). Кроме того, импульсы, распространяющиеся по направлению к выходу линии, так же претерпевают изменения. Зная параметры линии, а также входные и выходные характеристики ИС ТТЛ, можно оценить коэффициент отражений.

Для расчета отражений в ИС ТТЛ серии К155 можно использовать значения входных и выходных сопротивлений: входное сопротивление равно 1000 Ом при лог. 0 и стремится к бесконечности при лог. 1; выходное сопротивление 10 Ом при лог. 0 и 150 Ом при лог. 1.

Однако ввиду значительной нелинейности сопротивлений при переключении ЛЭ гораздо удобнее использовать для расчета отражений графический метод. Полная картина распределения напряжения по линии с постоянным сопротивлением может быть определена с помощью входных и выходных характеристик передающего и приемного ЛЭ. На рис. 4.20, б показаны входная характеристика приемного логического элемента D2 (II) и выходные характеристики передающего элемента D1 в состоянии лог. 0 (I) и лог. 1 (III) (ИС серии К155). При этом предполагается, что токи утечки пренебрежимо малы, поэтому входная характеристика приемного ЛЭ и выходная характеристика передающего ЛЭ при напряжении лог. 1 на выходе совпадают с правой полуосью напряжения.

Точка пересечения, А выходной характеристики в состоянии лог. 0 элемента D1 (I) с входной характеристикой элемента D2 определяет статическое состояние лог. 0, а точка В — статическое состояние лог. 1 на выходе D1. Предполагается, что волновое сопротивление Z₀ линии равно 50 Ом.

Если элемент D1 переключается в состояние лог. 1, то распределение напряжения определяется нагрузочной характеристикой (прямая сопротивления Аа), т. е. D1 работает на волновое сопротивление. Точка пересечения а этой прямой с выходной характеристикой III элемента D1 определяет амплитуду первого фронта импульса на входе линии (рис. 4.20, в). Скачок напряжения на входе распространяется до элемента D2, где отражается ввиду рассогласования (принятого для данного построения) между выходным сопротивлением D1 при 1 на его выходе и волновым сопротивлением линии. Скачок напряжения элемента D2 определяется линией нагрузки, проведенной до входной характеристики элемента D2 (линия ab). Точка с определяет амплитуду второго фронта импульса на входе линии при переключении в состояние лог. 1 элемента D1, а точка а — амплитуду соответствующего фронта импульса на выходе линии (рис. 4.20, г). Этот процесс продолжается до тех пор, пока отражения не достигнут пренебрежимо малой величины. Интервал времени между отражениями равен задержке линии. Из построения (рис. 4.20) видно, что амплитуда первого фронта импульса на входе линии при выключении (переключение из 0 в 1) элемента D1 близка к порогу квантования. Это значит, что элемент D1 может не переключиться до того момента, пока на вход линии не вернется первый отраженный фронт импульса.

Выходное сопротивление при лог. 1 на выходе ЛЭ серии К531 меньше, чем ЛЭ серии К155. Поэтому для ИС ТТЛ серии К531 может оказаться, что выходное сопротивление передающего ЛЭ будет значительно меньше, чем волновое сопротивление линии и амплитуда первого фронта импульса на выходе линии будет заметно больше напряжения лог. 1 в установившемся состоянии. При малых токах утечки амплитуда фронта второго импульса на входе линии также будет большой. При последующих отражениях напряжение в линии будет приближаться к уровню лог. 1. Значительное превышение напряжения лог. 1 может приводить к задержке времени переключения ЛЭ, увеличению перекрестных помех. Выбросы напряжения на уровне лог. 1 можно уменьшить, снижая волновое сопротивление линии. Однако при этом будет уменьшаться и амплитуда первого фронта импульса на входе линии.

Графический метод может быть использован и для определения отражений при включении приемного ЛЭ. На рис. 4.21, а изображены выходные характеристики передающего ЛЭ (I — лог. 0, III — лог. 1) и входная характеристика приемного ЛЭ (II') без демпфирующего диода и с демпфирующим диодом (II) на входе ЛЭ. Статическое состояние лог. 1 определяется точкой пересечения В выходной характеристики в состоянии лог. 1 передающего ЛЭ с входной характеристикой приемного ЛЭ. Предполагается, что волновое сопротивление линии Z₀ = 50 Ом.

Уровень напряжения первого фронта импульса (точка а, рис. 4.21, а, б) определяется нагрузочной характеристикой, проведенной отточки В до выходной характеристики I. Это изменение уровня с задержкой передается линией и отражается от приемного ЛЭ (рис. 4.21, в). Возникающий скачок напряжения может быть определен по нагрузочной характеристике, проведенной от точки а до входной характеристики. Процесс повторяется до тех пор, пока отражения не станут пренебрежимо малыми.

Из графика видно влияние демпфирующего (антизвонного) диода на входе ЛЭ, который ограничивает отрицательный выброс напряжения на приемном ЛЭ и, соответственно, следующий за ним положительный выброс, который может вызвать ложное срабатывание ЛЭ. Малое волновое сопротивление линии приводит к значительному выбросу тока, потребляемого от источника питания, в передающем ЛЭ, так как ток при этом определяется волновым сопротивлением и низким выходным сопротивлением (около 10 Ом) передающего ЛЭ. Выброс тока является дополнительной помехой, особенно при некачественном выполнении «заземления», а также приводит к снижению надежности ИС.

Рис. 4.21. Отражения в линии при воздействии отрицательного фронта импульса При графическом определении отражений в длинных линиях связи не учитываются паразитные емкости и индуктивности. Тем не менее графический метод полезен для качественной оценки эффектов, возникающих при изменении входной и выходной характеристик в результате колебаний напряжения питания и температуры окружающей среды, а также влияние волнового сопротивления линии связи.

Если нет возможности рассчитать фактические временные соотношения в системе и не накладываются ограничения, обусловленные перекрестными наводками, на длину линий связи (печатных проводников), необходимо ограничить максимальную длину проводников — длина проводника должна быть несколько меньше критической. Обычно длина печатных проводников (в пределах печатной платы размером 350×350 мм не более 300 мм, что несколько больше половины критической длины. Для ИС серий К155, К555 это вполне допустимо.