Практическое занятие 3 Оценка помех, возникающих при переключении логических элементов

При переключении логического элемента переключаются внутренние ключи, изменяются значения и направления токов схемы, меняется потребляемая мощность, что в свою очередь, является причиной возникновения помех по цепям питания. Рассмотрим базовый элемент ТТЛ (рис. 13), очевидно, что наибольший вклад в помеху будут вносить мощные (по отношению к остальной части схемы) выходные каскады.

Рис. 13. Сквозной ток логического элемента ТТЛ И-НЕ

Как уже рассматривалось на практическом занятии 2, высокий уровень на выходе элемента соответствует открытому транзистору VT3 и закрытому транзистору VT4, при этом формируется выходной ток , направленный из элемента в нагрузку. Низкий уровень на выходе элемента соответствует закрытому транзистору VT3 и открытому транзистору VT4, при этом формируется выходной ток , направленный от элементов-нагрузок на вход рассматриваемого элемента. Таким образом, получается, что в каждом случае один из транзисторов закрыт, и сквозной ток элемента (I_скв) от источника питания к общему проводу, проходящий через оба транзистора (VT3 и VT4), должен отсутствовать. Однако, переключение транзисторных ключей происходит не мгновенно, и вполне возможны ситуации когда один из транзисторов уже открылся, а второй еще не вышел из насыщения. В этот момент от источника питания к общему проводу через оба открытых транзистора протекает сквозной ток, увеличивая ток потребления элемента и создавая импульсную помеху по цепям питания.

Рис. 14. Временная диаграмма переключения ключа

На рис. 14 показана типовая временная диаграмма переключения ключа. Здесь I_б – ток базы, управляющий работой ключа; I_к – ток коллектора; U_кэ– напряжение коллектор-эмиттер, t¹⁰ – длительность перехода из единицы в ноль (длительность фронта 1-0); t⁰¹– длительность перехода из нуля в единицу (длительность фронта 0-1); t_p – время рассасывания заряда в базе, определяющая задержку между подачей среза управляющего сигнала и началом фронта возрастания выходного сигнала (см. материалы лабораторной работы по исследованию транзисторных ключей [10]). Наличие данного времени рассасывания усугубляет возникновение сквозных токов.

Рис. 15. Возникновение сквозных токов при переключении элемента ТТЛ

При переключении логического элемента управляющий сигнал подается на оба выходных транзистора VT3 и VT4 примерно одновременно (рис. 15). Открывающийся транзистор откроется достаточно быстро, через соответствующее время фронта t⁰¹ транзистора, а закрывающийся транзистор начнет закрываться с некоторой задержкой, определяемой временем рассасывания t_p. Таким образом, после открывания первого транзистора и до момента начала закрывания второго токи коллекторов транзисторов VT3 и VT4 максимальны, и сквозной ток достигает максимального значения.

С целью ограничения амплитуды сквозного тока в выходной цепи предусмотрен резистор R4, таким образом

. (1)

Увеличение сопротивления R4 уменьшает сквозной ток, однако одновременно приводит к возрастанию длительности фронта t⁰¹ логического элемента и снижению выходного напряжения высокого уровня. При переходе логического элемента из нуля в единицу наблюдается переходный процесс: суммарная емкость нагрузки, состоящая из входной емкости всех элементов-нагрузок и емкости монтажа, заряжается током от источника питания через цепочку элементов, состоящую из R4, открытого VT3, прямосмещенного VD3, (см. рис. 13). Сопротивление рассмотренной цепочки определяется в основном значением R4. Длительность данного переходного процесса пропорциональна суммарному сопротивлению цепочки и емкости нагрузки. Таким образом, снижая сквозной ток увеличением R4, мы теряем в быстродействии, и напротив, при высоком быстродействии (низком R4) мы вынуждены мириться с повышенным уровнем помех и высоким энергопотреблением. В табл. 4. приводятся значения R4 для различных серий ТТЛ, данное сопротивление имеет высокие значения для маломощных серий и значительно ниже для быстродействующих. В табл. 4 приводятся также задержки распространения.

Таблица 4

	К131	К155	К134	К555	К531
R4, Ом	58	130	500	200	20
tр^10,нс	17	15	60	20	8
tр^01,нс	36	22	100	20	8

Рис. 16. Подключение логического элемента к источнику питания

Логический элемент к источнику питания подключается посредством дорожки печатной платы некоторой длины, имеющей определенное омическое сопротивление r и индуктивность L. Импульс сквозного тока, проходя по данной дорожке печатной платы, вызывает импульсную помеху, обусловленную прохождением данного тока через омическое сопротивление и индуктивность. Вклад омической составляющей в совокупную помеху, как правило, не значителен, и с приемлемой точностью можно считать, что помеха определяется индуктивной составляющей.

Напряжение на индуктивности определяется как

,

где i – мгновенное значение тока через индуктивность.

В данном случае, перейдя к конечным приращениям, можно записать

, (2)

где U_пом – напряжение помехи.

Рис. 17. Импульс сквозного тока

В данном случае сквозной ток меняется от нулевого значения до максимального, и наоборот, за время примерно равное половине длительности фронта t¹⁰ или t⁰¹ логического элемента (рис. 17). Длительность фронтов современных логических элементов составляет единицы наносекунд, поэтому переход к конечным приращениям такой величины вполне допустим.

Индуктивность L зависит от геометрии дорожки печатной платы. В зависимости от ширины дорожки можно оценить погонную индуктивность (на единицу длины). На рис. 18 приводится график зависимости погонной индуктивности дорожки печатной платы от ширины дорожки [4]. Индуктивность дорожки печатной платы L может быть получена по формуле:

,

где – погонная индуктивность;

l – длина проводника.

Рис. 18. Зависимость погонной индуктивности от ширины печатного проводника

Уже при длине проводников в несколько сантиметров при переключении логических элементов могут наблюдаться импульсные помехи с амплитудой до десятка вольт. Очевидно, снизить амплитуду помехи можно, максимально приблизив логический элемент к источнику питания, однако это не всегда конструктивно выполнимо. Более простым решением является использовать фильтрующий конденсатор (рис. 16), который располагается в непосредственной близости корпуса микросхемы. Заряженный конденсатор представляет собой маленький источник питания, накопленный заряд которого поглощает импульсную помеху в непосредственной близости корпуса микросхемы, сквозные токи локализуются и не распространяются по цепям питания далее. Суммарный заряд импульса помехи, представляющий собой интеграл сквозного тока по времени (заштрихованная область на рис.17), должен быть нейтрализован накопленным зарядом в емкости фильтра.

Задаваясь допустимой амплитудой помехи, можно оценить емкость фильтрующего конденсатора.

Напряжение емкости определяется как

U_c = U₍₀₎+,

где U₍₀₎ – постоянная составляющая напряжения, здесь соответствует номинальному напряжению питания.

Переменная составляющая напряжения питания – напряжение помехи:

.

Функция изменения сквозного тока представляет собой сумму экспонент, соответствующих закону изменения коллекторных токов транзисторов. При оценочном расчете, задачей которого является оценка емкости фильтрующего конденсатора, изменение сквозного тока вполне можно считать кусочно-линейной функцией, и тогда интеграл сквозного тока можно найти как площадь треугольника (рис. 17) с высотой I _{скв. макс} и основанием, соответствующим времени фронта t¹⁰ или t⁰¹ элемента (логического элемента в целом, а не отдельного транзистора):

.

Задаваясь допустимым напряжением помехи (обычно используют значения=0,1E_п,=0,01E_п, ) можно оценить емкость фильтра:

. (3)

В технических условиях быстродействующих цифровых микросхем приводятся рекомендованные значения для фильтрующих емкостей.