Снижение помех в шинах питания цифровых схем

При переключении логического элемента происходит скачкообразное изменение тока потребления на величину ΔI_П. Длительность этого процесса приближенно равна длительности фронта сигнала. В контуре протекания тока потребления будет происходить изменение тока со скоростью ΔI/t_П, которое вызовет в этой цепи падение напряжения, пропорциональное индуктивности контура:

U _П = L _П (ΔI_П/t_П), (5.8)

где L _П – индуктивность контура протекания токов потребления;

ΔI_П – модуль разности токов потребления в статических состояниях ЛЭ;

– время переключения ЛЭ.

Шина питания имеет и резистивную составляющую, однако основную роль в создании помех играет индуктивная составляющая полного сопротивления. За счет большой крутизны фронтов импульсов даже мизерные индуктивности проводников на печатных платах приводят к большим падениям напряжения в соответствии с формулой (5.8). Картина усугубляется в том случае, когда одновременно переключаются все ЛЭ в цепочке (рис. 5.6).

Падение напряжения на проводниках является причиной провалов напряжений питания непосредственно на выводах микросхем U _cc и подскоков напряжений земли [10]. Величина провала может оказаться настолько большой, что напряжение U _cc выйдет за поле допуска на интервале времени , на котором снижается помехозащищенность микросхемы, и ее работоспособность не гарантируется. Падение напряжения на проводе земли (подскок) во время переключения вентиля из 1 в 0 суммируется с его выходным сигналом и может привести к тому, что последующий вентиль воспримет этот суммарный сигнал как логическую единицу, что приведет к сбою в работе узла.

Конструкторский метод снижения помех состоит в минимизации полного сопротивления шины питания [10]. Для выполнения этого требования необходимо:

· уменьшать длины шины питания;

· максимально увеличивать сечение проводников шины питания главным образом за счет увеличения ширины этих проводников;

· проводники питания и возвратных токов располагать на плате параллельно и как можно ближе друг к другу.

В двухсторонних и односторонних печатных платах провода шины питания рекомендуется располагать на всей свободной от сигнальных проводников поверхности платы в виде полигона. Ввиду нехватки места на этих платах обычно так поступают только с проводником возвратных токов. В этом случае полигон дополнительно обеспечивает экранирование радиоэлементов, расположенных на его стороне. В МПП для подвода питания и для возвратных токов отводятся отдельные слои, имеющие максимальные размеры для разрабатываемой платы, что дает им значительное преимущество в помехоустойчивости.

Второй метод снижения помех в шинах питания заключается в применении блокировочных (байпасных) конденсаторов (БК), включаемых между проводником питания и общим проводом. Эти конденсаторы предусматриваются на этапе схемотехнического проектирования изделия. Однако эффективность работы БК во многом определяется типом конденсатора, способом его монтажа и размещением на плате, поэтому этот метод справедливо считать схемо-конструкторским.

Главным требованием, предъявляемым к БК, является как можно более низкое полное сопротивление для токов ВЧ. На рис. 5.7, а приведена упрощенная эквивалентная схема конденсатора, а на рис. 5.7, б – частотная зависимость его сопротивления.

Форма кривой импеданса обусловлена наличием у любого конденсатора паразитной последовательной индуктивности . Низшая ее точка известна как частота собственного резонанса конденсатора , на которой его сопротивление становится чисто активным и равным R_S. Слева от этой частоты конденсатор имеет емкостной импеданс, а справа – индуктивный. Значение собственной частоты конденсатора может быть определено по формуле

. (5.9)

Для выбора блокировочного конденсатора существует рекомендация: БК допустимо использовать на частотах более низких, чем частота , до тех пор, пока его импеданс на этих частотах остается достаточно низким. На рис. 5.7, б штриховкой выделена условная область эффективной работы БК.

В ряде работ рекомендуется выбирать конденсатор таким образом, чтобы выполнялось условие

, (5.10)

где – максимальная частота спектра колебаний в шинах питания.

Частоту можно определить по формуле

, (5.11)

где t _П – время нарастания или спада фронта сигнала (время переключения).

Например, микросхема типа 1554ЛН1 имеет время переключения 2 нс, поэтому для нее = 175 МГц.

Следует учитывать, что не каждый конденсатор, удовлетворяющий условию (5.10), будет эффективно работать в качестве БК. Дело в том, что, согласно эквивалентной схеме на рис. 5.7,а он представляет собой колебательное звено второго порядка и поэтому при подаче на него импульса возникает колебательный процесс. Причем амплитуда колебаний тем больше, чем меньше длительность фронта входного импульса. В связи с этим для выбираемого конденсатора необходимо проверять условие:

< . (5.12)

Чем сильнее выполняется это неравенство, тем меньше проявляется колебательный процесс.

В качестве высокочастотных БК, как правило, используются керамические конденсаторы емкостью в диапазоне от сотых долей до десятых долей микрофарад. В приложении К приведены основные конструкции этих конденсаторов и варианты их установки на печатную плату. Конденсатор прямоугольной формы с проволочными выводами (рис. К.1, а) – самый неэффективный вариант среди всех представленных на рисунках, так как конденсатор в этом случае обладает наибольшей индуктивностью (табл. К.1). Немного лучшими характеристиками обладают дисковые керамические конденсаторы (рис. К.1, б). Чип-конденсаторы (рис. К.1, в-д) благодаря отсутствию проволочных выводов имеют существенно более низкие индуктивности, чем навесные конденсаторы. Специальные конденсаторы (рис. К.1, г,д) благодаря особой конструкции имеют еще более низкие индуктивности. Одним из способов повышения эффективности работы БК является параллельный монтаж чип-конденсаторов (рис. К.1,е). Параллельное соединение одинаковых конденсаторов не изменяет резонансную частоту, но удваивает емкость, снижает индуктивность и последовательное сопротивление по сравнению с одиночным конденсатором (рис. 5.8). Таким образом, этот способ позволяет улучшить подавление помех на высоких частотах.

Из рис. 5.7, б следует, что одиночный БК эффективен лишь в относительно узком диапазоне частот. Для расширения этого диапазона необходимо использовать несколько конденсаторов разных емкостей, включенных между собой параллельно. При определенных условиях нижняя часть импедансной кривой этой схемы будет иметь плоскую форму (иметь плато). Подробно этот вопрос рассматривается в [10].

Для эффективного подавления помех важны не только хорошие характеристики самого конденсатора, но и минимальная индуктивность всего контура, включая контактные площадки, переходные отверстия в плате и проводники подсоединения конденсатора к микросхеме. В связи с этим высокочастотные БК должны размещаться на плате как можно ближе к микросхеме. Подробные рекомендации по размещению БК на плате и выполнению топологии соединений приводятся в [10].

Для уменьшения низкочастотных помех (ниже 1 кГц), вызванных системой питания, на входе печатной платы рекомендуют устанавливать помехоподавляющий фильтр. Простейший фильтр – это чаще всего оксидный конденсатор емкостью от 10 до 100 мкФ. Для повышения эффективности фильтрации рекомендуется использовать ферритовый чип-компонент в качестве дросселя (рис. 5.9), размещаемый между источником питания и помехоподавляющими конденсаторами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: