-возрастание взаимного влияния между элементами и линиями связи из-за увеличения плотности размещения элементов компонентов.
1.Линии связи.Линии связи(ЛС) заметно влияют на процессы передачи информации.Влияние ЛС определяется ее типом.В зависимости от соотношения длительности фронта передаваемого сигнала и времени распространения его по ЛС последние подразделяют в случае анализа помех на электрически короткие и электрически длинные линии.
Линия связи считается электрически короткой линией,если ,
где и -время спада и нарастания передаваемого сигнала
соответственно;
l-длина линии связи;
vp-скорость распространения сигнала в линии связи.
На практике принимают
,
где e-диэлектрическая постоянная среды;
С0=300000 км/с.
Линия связи считается электрически длинной линией,если
.
Уточним понятие помехи для вычислительного устройства:это внешнее или внутреннее воздействие,приводящее к искажению дискретной информации во время ее хранения,преобразования,обработки и передачи.
2. По характеру воздействия на дискретную информацию помехи в устройствах ЭВМ,выполняемых на ИС,проявляются как задержки передачи импульсов,искажения фронтов импульсов,искажения уровней передаваемых потенциалов,уменьшение амплитуд передаваемых импульсов,постоянные смещения уровней напряжения питания.
3.По источнику создания помех их целесообразно разделять на помехи внешние,как правили,наводки,создаваемые внешними по отношению к рассматриваемому устройству аппаратами, устройствами,условиями эксплуатации,и помехи внутренние, обусловливаемые конкретным выполнением линий связи в рассматриваемом устройстве.
4.По месту проявления помехи могут быть подразделены на помехи в сигнальных линиях связи и в цепях питания.Видом проявления внутренних помех в электрически коротких ЛС являются задержки сигналов из-за емкостного или индуктивного характера линии связи,емкостные и индуктивные взаимные наводки между сигнальными проводниками,а внутренних помех в электрически длинных ЛС-задержки передачи сигналов, искажения формы передаваемых сигналов из-за отражений, взаимные наводки между линиями связи,затухания сигналов.
Помехи в цепях питания и меры по их уменьшению.
1.К проявлениям помех в цепях питания относят:постоянные смещения уровня шины “земля”,обусловливаемые ее активным сопротивлением;импульсные ЭДС,вызываемые динамическими токами потребления ИС в индуктивности шин “земля” и “питание”,динамическими токами перезаряда “паразитных” емкостей линий связи;периодические колебания напряжения питания,вызываемые реактивным характером цепей питания.
2.Статические помехи в цепях питания.Помехи в цепях питания возможны из-за падения напряжения на активном сопротивлении шин “земля” и “питание” при протекании по ним постоянных токов;возникновения ЭДС самоиндукции в цепи шин питания прри протекании по ним импульсных токов;”медленных” колебательных процессов в шинах питания при “бросках” тока нагрузки.
Чтобы свести к минимуму “постоянную” помеху,необходимо выбрать такую конструкцию шин “земля”,при которой падение на ней напряжения от постоянного тока было бы меньше наперед заданного допустимого значения Uпом.доп.,рассчитываемого из условия обеспечения помехозащищенности устройства.
Рассмотрим случай,когда n одинаковых логических элементов имеют одну общую шину “земля”,присоединенную к нулевой точке на одном конце шины(рис.10).Очевидно,что в наихудшем режиме с точки зрения помехозащищенности работает n-й элемент, поскольку его реальная статическая помехозащищенность уменьшается по сравнению с номинальной(паспортной) на значение падения напряжения на шине “земля” в точке его присоединения и для n-го элемента это падение напряжения составляет максимальное значение U=пом.
Величина U=пом. приближенно рассчитывается по схеме рис.10б.
Обозначая через DRш сопротивление участка общей шины “земля” между 2мя расположенными рядом микросхемами,а через Iип- ток потребления одной микросхемы,можно записать:
U=пом.= DRшnIип +DRш(n-1)Iип +...+DRшIип=DRшIип(1+2+...+(n-1)+n)=
=DRшIип(n+1)2.
Задаваясь из условия обеспечения помехозащищенности устройства допустимым падением напряжения на шине “земля” Uпом.доп.,нетрудно вычислить допустимое сопротивление участка шины “земля” DRшдоп. и сформулировать требования к конструкции шины “земля”:
DRшдоп.IипUпом.доп. или DRшдоп.£ 2Uпом.доп/(Iип(n+1)n).
Конструктивными мерами по уменьшению постоянных помех следует считать:
-увеличение сечения шины “земля”;
- увеличение числа заземляющих точек,что уменьшает длину общих участков протекания тока элементов(рис.11);
-применение заземленных медных листов,к которым припаиваются все обратные провода ячеек или модулей;
-применение навесных шин питания;
-использование для подвода питания отдельных слоев многослойной печатной платы.
3.Импульсные помехи в цепях питания.Они обусловливаются главным образом кратковременными возрастаниями (“бросками”) токов потребления интегральных микросхем при переключении последних из одного логического состояния в другое и,во-вторых,динамическими токами перезаряда паразитных емкостей сигнальных линий связи (собственных емкостей сигнальных проводников относительно шины “земля”).Эти относительно большие по значению и короткие по длительности токи[8],протекая по шине “земля” цепи питания,вызывают на индуктивности общих шин “земля” импульсные падения напряжения.Последние,приложенные ко входу микросхем, действуют как импульсные помехи.Рассмотрим механизм возникновения импульсных помех для обоих случаев.
Для изучения причин возникновения импульсных помех из-за бросков тока потребления ИС рассмотрим такую конструкцию шин питания,когда n одинаковых элементов подключены к шинам “питание” и “земля” через некоторое равное расстояние,причем n-1 любых элементов одновременно переключается из одного устойчивого состояния в другое,а на вход одного,например
n-го,элемента(рис.12а) подключен сигнал логического нуля Uвх.
Перейдем к расчетной эквивалентной схеме(рис.12б):
DLш-индуктивность участка шины “земля” между 2мя
расположенными рядом микросхемами,
iип-переменная составляющая тока потребления,
Активным сопротивлением шин “земля” пренебрегаем.
В общем случае ток потребления микросхемы резко возрастает в моменты ее переключения(рис.12в).Идеализируя форму переменной составляющей тока потребления(рис.12г),легко рассчитать ЭДС самоиндукции eпом,возникающую в шине “земля” (ШЗ)при изменении тока потребления:
eпом=eпомi(t)=eпом1+eпом2+...+eпом(n-1),
где eпомi- ЭДС помехи,возникающей на участке ШЗ,соединяющей i-ю микросхему с (i-1)й микросхемой.
Приближенно |eпом1|= 2DLшDIип,
|eпом2|= 2DLшDIип,
..................
|eпом(n-1|= 2DLшDIип,где t-время переключения.
С учетом этого имеем:
eпом=2DLш DIип[(n-1)+(n-2)+...+2+1]/t=2DLш DIип×n(n-1)/t.
Задаваясь допустимым значением импульсной помехи на входе элемента из-за помех по цепи питания eпом.доп,нетрудно
рассчитать допустимое значение индуктивности шины питания ШП,следовательно,сформулировать конструктивные требования к цепям питания:
DLш.доп £ eпом.доп t/DIип×n(n-1).
Уменьшение импульсной помехи в цепях питания достигается либо выбором элементов с малыми бросками токов при переключении,либо при заданной системе элементов путем уменьшения индуктивности общей шины питания,что,в свою очередь,может быть достигнуто:
-увеличением числа заземляющих точек,
-применением заземленных медных листов,
-использованием для подвода питания многослойной печатной
платы,
-выбором соответствующей конструции ШП(например,рис.12д),
-применением индивидуальных конденсаторов развязки[9].
Обеспечение помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники.
1.Уменьшение помех в аппаратуре,собранной на интегральных микросхемах.Для подавления помех,вызванных ударами молнии в силовые линии,переключениями реле,переходными процессами при пуске электродвигателя,электрическими разрядами в аппаратуре или вблизи нее,высокочастотными полями и т.д. необходима тщательная проработка цепей питания, заземления, экранирования, топологии печатных плат с учетом конкретных характеристик интегральных схем.
Необходимо помнить,что ИС ТТЛ-типа,представляющие собой токовые приборы с малым входным сопротивлением,особенно чувствительны к разности потенциалов цепей питания между отдельными ИС,возникающей из-за паразитных токов.
ИС МДП-типа управляются напряжением и имеют высокое входное и малое выходное сопротивление,поэтому они особенно чувствительны к излучаемым помехам.Вторичная чувствительность к паразитным токам возникает в результате помех от соседних проводников,по которым передаются импульсные сигналы.
Линейные ИС имеют высокое входное и малое выходное сопротивления.В отличие от цифровых ИС для линейных ИС не указываются диапазоны напряжений.Шумовые выбросы могут просачиваться в усилитель с высоким коэффициентом усиления по шинам питания.
Для уменьшения восприимчивости аппаратуры на ИМС к электромагнитным помехам на практике необходимо:
1.Максимально применять развязку по цепи питания,подключая конденсаторы индивидуальной развязки к отдельным микросхемам или группам микросхем.
2.Выбирать достаточную ширину печатных проводников шин питания.
3.Не путать шину “земля” с “общей шиной” системы(обратный провод источника питания).ШЗ не должна использоваться для передачи мощности.Проводники “земля” и “общий” необходимо соединять только в одной точке ситемы,иначе образуется замкнутый контур,излучающий помехи в схему.
4.Питать цепи,потребляющие большой ток,от отдельного источника.В этом случае переменные составляющие тока питания не проникают в шины,подводящие питание к маломощным логическим схемам.Следует иметь в виду,что проводники, передающие резкие изменения тока,индуктивно связаны с соседними проводниками,а последние передают фронты напряжений через емкостные связи соседним участкам схемы.В связи с этим размещению таких проводников надо уделять особое внимание.
5.Выбирать резисторы утечки с минимальным сопротивлением,допускаемым с точки зрения мощности потребления или других условий.Это особенно важно в ИС
МДП-типа.
6.В устройствах,построенных на ИС ТТЛ-типа,неиспользуемые логические входы надо подключить к положительной шине “питание” через резистор 1 КОм.В устройствах на МДП ИС неиспользуемые логические входы подключаются соответственно к положительной или отрицательной шинам,т.к. в противном случае может возникнуть состояние неопределенности в работе ИС.
7.Применять в линейных устройствах резисторы и конденсаторы,имеющие допуск на разброс параметров до 1%. Исключение могут составлять резисторы утечки и конденсаторы блокирующих цепей,где допускается 20%-ный разброс параметров.По окончании разработки следует изучить влияние изменения параметров компонентов на работу схемы.
Если указанные меры не дают желаемого эффекта,можно применить фильтрацию сетевого напряжения и экранирование. Корпуса из металла или с проводящим покрытием,как уже говорилось,в значительной степени ослабляют внешние помехи. Окна,образуемые индикаторами,шкалами или измерительными приборами,можно закрыть медными экранами.Фильтры сетевого напряжения обеспечивают защиту от помех из силовой сети,но их необходимо согласовать с аппаратурой.
Таковы общие рекомендации;рассматривать же что-либо более определенное не имеет смысла,т.к. для элементов разных типов(КМДП,ТТЛ,ЭСЛ...)меры по уменьшению помех,несмотря на всю схожесть,различны.
Заключение.
Надежность и достоверность работы электронных вычислительных машин в существенной степени определяются их помехозащищенностью по отношению к внешним и внутренним,случайным и регулярным помехам.От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов ЭВМ зависят как сроки ее разработки,изготовления и наладки,так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.Наиболее успешная борьба с помехами возможна лишь в том случае,когда разработка электрических схем и конструкций элементов и узлов ЭВМ неразрывно связаны.
Аналогичный подход справедлив и для всех прочих устройств.
Методов снижения шумов в устройствах и повышения помехоустойчивости устройств на порядок больше,чем самих шумов и видов помех,т.к. для каждой конкретной схемы существуют свои оптимальные методы уменьшения помех.
Это ужасно с точки зрения перебора и применения методов, кроме того,требует большой практической сноровки;но все,чего мы можем добиться-лишь в той или иной степени подавить шум или помеху.
Литература.
1.П.Хоровиц,У.Хилл.
Искусство схемотехники-М:Мир,1993 г.,т.т.2,3.
2.Л.Н.Преснухин,Н.В.Воробьев,А.А.Шишкевич.
Расчет элементов цифровых устройств-М:ВШ,1991 г.
Литература.
1.П.Хоровиц,У.Хилл.
Искусство схемотехники-М:Мир,1993 г.,т.т.2,3.
2.Л.Н.Преснухин,Н.В.Воробьев,А.А.Шишкевич.
Расчет элементов цифровых устройств-М:ВШ,1991 г.
[1] упомянуты ниже без рассмотрения.
[2] один танталовый,другой дисковый керамический.
[3] схемная “Мекка” заземления.
[4] силовые линии питания-хорошая антенна
[5] это может быть,например,стандартный неинвертирующий ОУ,как показано на схеме.
[6] примером является головка магнитофона или другой источник сигнала,для которого нужна экранированная сигнальная линия.
[7] условие легко выполнимо,т.к. почти всегда сигнал можно сделать периодическим.
[8] иногда сотни миллиампер за единицы наносекунд.
[9] Идея применения конденсаторов развязки для уменьшения импульсных помех в цепях питания заключается во введении индивидуальных для каждой ИС источников энергии,роль которых выполняют конденсаторы с малой собственной индуктивностью.Они позволяют локализовать протекание динамических токов потребления в рамках цепи микросхема-ИКР.
