10.7 Фильтрация помех в шинах питания цифровых схем

Основными причинами возникновения помех в ШП являются:

- генерация импульсных помех при коммутации цифровых ИС;

- проникновение помех из вне, например, от источника питания.

При переключении ТТЛ логических элементов в их целях питания возникает импульс тока(рис. 10.23).

Рис. 10.23 – Переключение ТТЛ вентиля

В результате имеем две проблемы:

1) напряжение питания для ИМС может выйти за пределы установленного допуска, и она перестанет нормально функционировать;

2) импульсы тока в цепи питания являются помехой для рядом расположенных ИМС.

Рассмотрим последнюю проблему. Из-за того, что шины питания имеют ненулевые импедансы, в них возникают импульсы напряжения, которые могут распространяться и по сигнальным линиям (рис 10.24)

Рис. 10.24

Из этой схемы следует, что

,

где - суммарное падение напряжения от сигнального тока и тока питания.

Падение напряжения на индуктивном сопротивлении определяется произведением , т.е. оно пропорционально индуктивности и скорости измерения тока. Максимальный уровень помех будет иметь место при одновременном срабатывании большого числа ЛЭ, например, при записи информации в параллельный регистр.

В основе методов уменьшения помех в шинах питания лежат следующие принципы:

а) уменьшение импеданса ШП, прежде всего индуктивной составляющей. Важно знать, как влияет форма проводника на его индуктивность (рисунок 10.25)

Рис. 10.25

б) снижение скоростей изменения токов в шинах питания ( ) с помощью конденсаторов;

в) сокращение длины общих участков шин питания.

Рассмотрим примеры конкретного воплощения этих принципов.

В многослойных печатных платах МПП шины питания, как правило, выполняются в виде проводящих плоскостей. Простейшая структура МПП имеет вид:

В двухсторонних печатных платах иногда используются навесные шины питания. Их применение позволяет:

- значительно уменьшить ( ) и ( ) за счет большого сечения и минимальной длины;

- облегчить разработку топологии ПП;

- увеличить жесткость конструкции.

Недостатками такого решения являются: повышение трудоемкости сборки; увеличение массы и высоты ячейки, несовместимость с поверхностным монтажом.

а) б)

Рис. 10.26

На рисунках 10.26 показаны два варианта размещения проводников питания:

а) нежелательный вариант: большая площадь контура ( ) - хорошая «антенна».

б) лучший вариант: минимальная площадь контура, компенсация магнитных потоков.

Таким образом, при разработке топологии платы желательно максимально сближать шины питания и земли.

На практике для подавления ВЧ помех широко используются керамические конденсаторы. Их эффективность зависит от числа расположения на ПП, величины емкости и каждого конденсатора паразитной индуктивности. Не рекомендуется использовать конденсаторы с длинными выводами и гр. НРО. Эффективность отдельно взятого конденсатора зависит от его конструкции (Рис. 10.27).

Рис. 10.27

Существует несколько интерпретации принципа действия фильтрующего конденсатора:

- конденсатор совместно с импендансами ШП образует ФНЧ:

- конденсатор «закорачивает» ВЧ помеху;

- будучи установленным вблизи ИС конденсатор является индивидуальным источником питания этой ИС.

В любом случае наиболее эффективен вариант, когда около каждой ИС устанавливается свой фильтрующий конденсатор. Но этот вариант самый расточительный, поэтому обычно предусматривается один конденсатор на группу ИС.