Передача цифровых сигналов при наличии помех

Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации электронных схем является борьба со сбоями из-за помех. Такие помехи могут возникать как непосредственно на печатных пла-тах, так и при передаче сигнала по кабелю. В тех случаях, когда цифровые сигналы должны передаваться по кабелю или между измерительными приборами, возникают специфические пробле-мы. Важную роль играет влияние емкостной нагрузки на высокочастотные сигналы, синфазные перекрестные помехи, а также на «эффекты длинной линии» (отражения от несогласованной нагрузки). Паразитные связи цифровых элементов по цепям питания на внутриплатных соединениях. Типовой проблемой появления помех на печатной плате является наличие токовых импульсов в цепях питания микросхем. Первой причиной появления таких импульсов является на-личие сквозного тока переходного процесса в выходных каскадах цифровых микросхем. Двухтактная выходная схема элемента ТТЛ и КМОП состоит из двух последовательно соединенных транзисторов, включенных между шинами U+ и земли. Когда состояние выходного каскада изменяется, оба транзистора кратковременно оказываются в открытом состоянии. В это время от шины U+ на землю протекает импульс тока, который создает короткие отрицательные выбросы на шине U+ и короткие положительные выбросы на шине земли. Эта ситуация иллюстрируется на рис.19.9. Предположим, что ИMC1 переключается, и от источника +5 В к земле кратковременно протекает значительный ток, путь которого показан на рисунке. Этот ток в сочетании с индуктивностью проводников U+ и земли вызывает короткие выбросы напряжения относительно опорной точки заземления. Эти выбросы малой длительности привести к появлению паразитных импульсов на выходе схемы. Предположим, что ИМС2 расположена рядом с «переклю-чившейся» микросхемой. ИМС2, на выходе которой действует постоянный сигнал низкого уровня, управляет входом ИМС3, расположенной еще дальше. Положительный выброс, действую-щий на земляном проводе ИМС2, появится также на выходе по-следней, и при его достаточной величине воспримется схемой ИМС3 как непродолжительный сигнал высокого уровня. Таким образом, на выходе схемы ИМС3, находящейся на некотором расстоянии от источника помехи – схемы ИМС1 появляется полноценный выходной импульс, нарушающий нормальную работу всей системы. Лучшим средством против подобного явления является: а) использование по всей плате мощных земляных шин и даже значительных «поверхностей заземления» (одна сторона двухсторонней или многосторонней печатной платы целиком отводится под поверхность заземления);

Рис.19.9. Помехи на шине земли из-за сквозного тока ИС

б) многократное шунтирование цепей питания по всей плате с помощью конденсаторов. Применение умощненных шин (пониженные индуктивность и сопротивление) уменьшает индуцированные выбросы тока, а благодаря наличию конденсаторов, включенных между шинами земли и U+ и распределенных по всей плате, токовые броски распространяются только по коротким ветвям, что в сочетании с пониженной индуктивностью дает существенное снижение величины выбросов (конденсатор действует как локальный источник, напряжение которого за время действия короткого броска тока заметно не меняется). В устройствах на элементах ТТЛ лучше всего около каждой ИМС устанавливать конденсатор емкостью от 0,05 до 0,1 мкФ, но может оказаться достаточным иметь один конденсатор на каждые две или три ИМС. Кроме того, для хранения энергии неплохо распределить по плате несколько конденсаторов большей емкости (например, 6,8 мкФ, 35 В). Шунтирующие конденсаторы рекомендуется включать между шинами источников питания и земли независимо от того, цифровая эта схема или аналоговая. Конденсаторы обеспечивают низкий импеданс шин источников напряжения на высоких частотах, что препятствует возникновению связей между элементами через источник. Незашунтированные шины питания могут служить причиной возникновения ненормальных режимов, генераций, помех.Второй причиной выбросов является емкость нагрузки. Даже после того, как шины питания зашунтированы, импульсные помехи по шине земли возможны. Почему это так, показано на рис.19.10.