5. Обеспечение помехоустойчивости при конструктивной реализации схем

5.1. Одиночные линии связи и их параметры
Электрические параметры:
активное сопротивление на единицу длины – R0;
собственная индуктивность на единицу
длины – L0;
проводимость изоляции на единицу длины – G0;
собственная емкость на единицу длины – С0.
Интегральная характеристика –
волновое сопротивление

Временные параметры одиночной линии связи
Временные параметры:
скорость распространения сигнала - V;
задержка распространения сигнала на единицу длины - .

Виды линий связи и их паразитные параметры
Проводник над заземленной плоскостью:
Витая пара:

Виды линий связи и их паразитные параметры (2)
Полосковая линия:
Микрополосковая линия:
Коаксиальный кабель: Z0 =

Значения задержек сигналов в линиях связи

5.2. Взаимодействующие линии связи
с распределенными параметрами
При анализе взаимодействия цепей связи необходимо учитывать взаимные паразитные емкость Св0 и индуктивность Lв0.

Печатные проводники на поверхности
однородного диэлектрика
Печатные проводники на плате без
экранирующего слоя:
Печатные проводники на плате
с металлизированным слоем:

Печатные проводники на разных слоях
однородного диэлектрика
Зависимость Сво от ширины печатного проводника
1 – для ДПП толщиной 1,5 мм;
2, 3, 4 – для МПП при толщине
изоляционного слоя: 0,15,
0,25, 0,5 мм

Зависимости емкости от расположения и ширины печатных проводников

Зависимость индуктивности печатного
проводника от его ширины

5.3. Виды помех и искажений сигналов в цепях связи
Невзаимодействующие цепи связи:
искажение сигнала от эффекта отражений;
помехи по цепям управления;
помехи по шинам питания и «земли».
Взаимодействующие линии связи:
перекрестная помеха.
Различают два вида линий связи:
электрически «короткие» – время распространения сигнала меньше длительности фронта импульса (tф > 4Tз) – выполняют неэкраниро-ванными;
электрически «длинные» – время распространения сигнала больше длительности фронта импульса – выполняют согласованным коаксиальным кабелем.

5.4. Эффект отражений
5.4.1. Механизм возникновения и виды искажений сигналов
Отражение может происходить от конструктивных неоднороднос-тей или схемных элементов. Причина – изменение волнового сопротивления или неравенство его входному/выходному сопротивлению элемента.
Отражения от конструктивных неоднородностей становятся су-щественными в гигагерцевом диапазоне частот.
Анализ искажения сигнала от эффекта отражений будем выпол-нять на примере элементарной цепи связи элементов схем ТТЛ.

Эффект отражений (2)

Эффект отражений (3)
Таким образом в любой момент времени в любой точке линии сигнал равен сумме Uн1=UвхZ0/(Z1+Z0) и всех последующих отраженных фронтов импульсов, успевших появиться к рассматриваемому моменту времени.
В схемах соединения элементов ТТЛ отраженные фронты искажают форму импульса.

Искажение положительного (а) и отрицательного (б) фронтов импульса
Степень искажения фронтов импульса следует оценивать при наихудшем сочетании между ВАХ элементов схемы и значением Z0.
Искажение переднего фронта импульса оценивается параметрами Δtcв и Δtвос , которые характеризуют задержку переднего фронта и время восстановления помехоустойчивости. Эти параметры измеряются по уровню 0,5 и 0,95 амплитуды импульса. Их необходимо учитывать при определении частоты синхронизации и разработке временной диаграммы.
По заднему фронту импульса возникают колебания ΔU+ и ΔU- .
При l ≥ 1 м:
Δtcв может превысить задержку переключения элемента tз01;
Δt вос может достигать (3...4) tз01;
ΔU+ может превысить допустимую помеху;
ΔU- может создать на других (закрытых переходах МЭТ) напряжение, превышающее пробивное.

5.4.2. Анализ искажения сигнала
Модель переходных процессов в элементарной цепи связи без учета потерь
Граничные условия – выходные характеристики элемента-источника и входная характеристика элемента-приемника.
Эквивалентные уравнения в конечных разностях:

Графический метод исследования искажений в несогласованных линиях связи схем ТТЛ
Uн0
iн0
Z0
-Z0
Uк1,iк1
Z0
1 и 3 – выходные характеристики элемента-источника в состоянии «1» и «0»;
2 – входная характеристика элемента-приемника

5.4.3. Приближенный способ определения допустимой длины несогласованного соединения
Если затягивание переднего фронта можно не учитывать, то предельная длина несогласованного соединения определяется амплитудой колебаний в конце линии, например, должно выполняться условие ΔU+≤ Uпд.
Согласно теории ΔU+ ≤ 0,15 Uлог, если 2Tз ≤ tф.
Откуда, если Uпд ≤ 0,15 Uлог, то Tз = lдτ’з.р ≤ tф/2.
Тогда
lд = tф/(2 τ’з.р).

Пример расчета допустимой длины несогласованной линии связи

5.5. Помехи во взаимодействующих линиях связи
5.5.1. Механизм возникновения и математическая
модель
Перекрестной помехой (ПП) называется паразитный сигнал, появля-ющийся в линии при прохождении сигнала в близ расположенной линии передачи из-за их ёмкостного и индуктивного взаимодейст-вия.
Возможно суммирование ПП от нескольких близко расположенных линий связи. Поскольку паразитная связь убывает при увеличении расстояния, существенными являются наводки от двух соседних линий (3-4t, где t – шаг печатного монтажа).

Помехи во взаимодействующих линиях связи (2)
Различают два варианта включения элементов пассивной цепи, относительно активной:
согласное, если Э3 – источник сигнала (управляемый элемент), а Э4 – приёмник (воспринимающий элемент);
встречное, если Э3 – воспринимающий элемент, а Э4 – управляющий.
Взаимодействующие цепи связи при встречном включении (а) и их фрагменты (б).

Помехи во взаимодействующих линиях связи (3)
Согласное
включение
Встречное
включение
Переходные процессы в двух вза-имодействующих линиях пере-дачи с идентичными парамет-рами описываются дифферен-циальными уравнениями в част-ных производных:

Помехи во взаимодействующих линиях связи (3)
При анализе взаимодействующих цепей указанные уравнения должны решаться с учетом граничных условий, которые определяются входными и выходными характеристиками логических элементов, входящих в эти цепи.
Решение дифференциальных уравнений в частных производных с нелинейными граничными условиями для различных форм реальных сигналов – очень сложная задача.
Из-за значительного разброса параметров цепей связи (входные/выходные характеристики элементов, электрические характеристики линий связи) проведение точного расчета нерационально.

Помехи во взаимодействующих линиях связи (4)
Целесообразно выполнять приближенный расчет перекрестных помех, упростив исходные уравнения и граничные условия на основе разумных допущений.
При таком подходе можно:
проанализировать различные варианты схем соединений;
определить способы снижения помехи;
оценить допустимую длину участков взаимодействия линий связи,
а также сформулировать рекомендации для выбора :
линий связи на различных участках
соединения;
типа печатной платы;
типа разъема и количества его
контактов в комбинированной линии;
конструкции и топологии печатных
проводников.

5.5.2. Упрощения и допущения при инженерном анализе перекрестных помех
1. Переход от распределённых к сосредоточенным параметрам. Этот переход выполняется только для коротких линий связи.
C1, L1 – интегральные значения
собственных ёмкостей и индуктив-
ностей активной линии.
C2, L2 – интегральные значения
собственных ёмкостей и индуктив-
ностей пассивной линии.
Cв, Lв – интегральные значения
собственных ёмкостей и индуктив-
ностей активной и пассивной
линий.
C1 = C10⋅l1; C2 = C20⋅ l2; Cв = Cв0⋅ lв;
L1 = L10⋅ l1; L2 = L20⋅ l2; Lв = Lв0⋅ lв,
где l1,l2 – длина линии связи; lв – длина участка взаимодействия.

Упрощения и допущения (2)
2. Линеаризация граничных условий. Нелинейное выходное и входное сопротивление элементов пассивной цепи заменяются их линейными эквивалентами. Справедливость этого допущения обосновывается сравнительно небольшими колебаниями рабочей точки из-за низкого уровня допустимых помех.
Rлев, Rпр – эквивалентные сопро-
тивления на левом и правом
концах пассивной линии.
3. Идеализация сигнала в активной линии. Обоснованием являются предположения:
переходные процессы в активной линии не зависят от переходных процессов формирования помехи (Kс, KL = 0,1÷0,2);
собственные реактивности активной линии не влияют на переходные процессы формирования сигнала в ней.
4. Возможность отдельного анализа ёмкостной и индуктивной составляющей ПП.

5.5.3. Емкостная составляющая перекрёстной помехи
Дифференциальное уравнение, описывающее процесс наведения емкостной помехи, имеет вид:
где UпС – емкостная составляющая перекрестной помехи.
R = RлевRпр/(Rлев+Rпр);
С = С2+ССХ;
С2 = С0l2

Емкостная составляющая перекрёстной помехи (2)
В предположении линейно нарастающего фронта напряжения в активной линии
для 0< t ≤ tфU получим:
где Ua, tфU – перепад напряжения в активной линии и
продолжительность его фронта;
Знак емкостной помехи совпадает со знаком фронта наводящего фронта.

Емкостная составляющая перекрёстной помехи (3)
При t = tфU помеха достигает максимального значения:
При t > tфU помеха начинает уменьшаться за счёт заряда ёмкостей:
Отрицательная помеха опасна, если воспринимающих элемент пассивной цепи находится в состоянии логической «1», положительная – если в состоянии логического «0».

Соотношение отрицательной и положительной ёмкостной составляющих ПП (Uc- и Uc+)

5.5.4. Индуктивная составляющая перекрестной помехи
При линейном законе изменения фронта тока ЭДС, наведенная в пассивной цепи за счет взаимоиндуктивной связи,
При согласном включении линий индуктивная помеха по знаку противоположна
фронту наводящего сигнала, при встречном – знаки совпадают.

Соотношение емкостной и индуктивной составляющих перекрестной помехи
Вопрос о соотношении емкостной и индуктивной составляющих перекрестной помехи важен при выборе способа ее уменьшения.

Соотношение емкостной и индуктивной составляющих перекрестной помехи (2)
Рассмотрим это соотношение для помехи отрицательной полярности. Тогда Rвых= Rвых(1)=100…200 Ом.
Все линии связи разделим на два класса:
низкоомные (Z0<75 Ом) – полосковые линии связи;
высокоомные (Z0 ≥ 75 Ом) – все остальные.
Для низкоомных линий связи Св0/Lв0 ≥ 2,5⋅10-3 Ф/Гн.
Для высокоомных линий связи Св0/Lв0 ≈ 10-4 Ф/Гн.
Тогда при Nа=10 получим:
для низкоомных линий связи
для высокоомных линий связи
при Nа = 1 получим:
для низкоомных линий связи
для высокоомных линий связи

5.5.5. Суммарная перекрестная помеха
Таким образом при согласном включении ёмкостная и индуктив-ная составляющая компенсируют-ся, при встречном – суммируются.
Суммарная помеха:
при встречном включении цепей:
при согласном включении:
Согласное
включение
Встречное
включение
(1)

Суммарная перекрестная помеха (2)
Учитывая тот факт, что отрицательная емкостная помеха существенно больше положительной (то же справедливо и для индуктивной составляющей), максимальной будет отрицательная суммарная помеха при встречном включении.

Из формулы видно, что амплитуда помехи прямо пропорциональна длине участка взаимодействия, длительность помехи приблизительно равна длительности фронта. При учете только емкостной составляющей допустимую длину участка взаимодействия можно определить из условия Uпд ≥ Uа·R·Св0·lв/tфU откуда
5.5.6. Способы уменьшения перекрестных помех
Рассмотрим формулу суммарной ПП при встречном включении
с точки зрения выработки рекомендаций по использованию линий связи и печатных плат в зависимости от скорости переключения элементной базы.
1. tфU>2,5τ. В этом случае экспоненциальным членом можно пренебречь. Независимо от полярности помехи:
(1)

Способы уменьшения перекрестных помех (2)
2. tфU < τ. Разложив экспоненту в ряд и ограничившись двумя членами разложения, получим
Отсюда видно, что амплитуда помехи практически не зависит от длины участка взаимодействия, а длительность помехи прямо пропорциональна его длине

Способы уменьшения перекрестных помех (3)
Основные способы снижения ПП за счет изменения топологии, геометрии и конструкции межсоединений:
трассировка ЛС на соседних слоях под углом 90 или 45°;
увеличение расстояния между ЛС на одном слое;
использование согласного включения элементов взаимодейст-вующих цепей;
для уменьшения ёмкостной составляющей ПП использование диэлектриков с малым ε;
для уменьшения индуктивной составляющей
ПП – увеличение расстояния между взаимо-
действующими цепями, таким образом, что-
уменьшалась площадь перекрытия контуров,
образуемых взаимодействующими линиями
и соединяемыми ими элементами;
разнесение контактов разъемов взаимодей-
ствующих цепей, элементы которых располо-
жены на разных субблоках;

Способы уменьшения перекрестных помех (4)
использование разделяющего экранирующего проводника;
выполнение коаксиальным кабелем или экранированной витой парой участков взаимодействующих цепей на длине, превышающей допустимую;
использование МПП со специальными структурами сигнально-потенциальных звеньев.

5.5.7. Определение допустимой длины взаимодействующего участка

Определение допустимой длины взаимодействующего участка (2)

5.6. Помехи по цепям управления и питания
Помехи по цепям управления и питания возникают из-за паразитной связи через общее сопротивление цепей управления и шин питания и «земли».Эти помехи наводятся на их общих сопротивлениях и носят индуктивный характер.
Помеха по цепям управления
Возникает в элементах, во входном
каскаде которых стоят много-
эмитерные транзисторы.
В моменты времени
t1: A2 – AM – “0” и B2 – BM – “0”
t2: A2 – AM – “1” и B2 – BM – “0”
Переходы A будут закрываться,
входные токи будут пере-
ключаться во 2-ю входную
цепь. Протекая по управля-
ющей цепи от Э2…ЭM, они
суммируются, на общей индуктивности формируется помеха, которая имеет положительную полярность.

Помеха по цепям управления (2)

Способы уменьшения помехи:
уменьшение индуктивности печатных проводников за счет уменьшения их длины;
секционирование линий связи (приводит к уменьшению помехи за счет сокращения длины протекания суммарных токов);
если управляющий и управляемый элементы находятся на разных субблоках, то:
а) при наличии свободных контактов следует их распараллелить;
б) если возможно, следует перекомпоновать схему так, чтобы они располагались на одном субблоке;
Помеха по цепям управления (3)

Помехи по шинам питания
В статическом состоянии по шинам питания про-текают стационарные токи, вызывающие постоянное падение напряжения. При пере-ключении элементов соответственно проис-ходит изменение этих токов.
Если в цепи 1 одновременно пере-ключаются N элемен-тов Э4-ЭM, то на об-щих индуктивностях шин питания и «зем-ли» возникает помеха из-за изменения токов:

Помехи по шинам питания (2)
Эта помеха может быть как положительной, так и отрицательной полярности.
Положительная помеха попадает на вход элемента Э2 через вывод «земля» и выходную цепь элемента Э1, находящегося в логическом «0».
Отрицательная помеха – через вывод питания и выходную цепь элемента Э1, находящегося в логической «1».
Способы уменьшения помехи:
секционирование (как для ПП, так и для подложек МС);
распараллеливание контактов разъемов;
увеличение ширины шин питания и «земли»;
использование развязывающих конденсаторов:
в МПП использование сетчатых слоев;
в ДПП шины питания и земли целесообразно располагать друг над другом для увеличения емкости конструктивного фильтра.
Rк – модуль сопротивления конденсатора,
n – желаемая кратность уменьшения помехи.

Примеры топологии шин питания и «земли»
1 – шина питания; 2 – шина «земли»

Примеры топологии шин питания и «земли» (2)
1 – шина «земли»;
2 – конденсатор;
3 – шина питания
Подвод питания и «земли» на субблоке с использованием навесных шин

Примеры топологии шин питания и «земли» (3)
1
2
Шины питания и «земли»
в матричном БИС
1 – шина «земли»;
2 – шина питания

Примеры топологии шин питания и «земли» (4)

Фрагмент слоя МПП (питание или «земля»)