Помехи при соединении элементов короткими линиями связи

ТЕМА 4. ПОМЕХИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ.

Лекция №20. Помехи при соединении элементов короткими линиями связи

Под электрическими соединениями понимают линии передачи и электрические контакты, служащие для передачи сигналов и электрической энергии между  ИМС, ЭРЭ и модулями, образующими ЭА. По выполняемым функциям различают сигнальные линии передачи, объединяющие входы и выходы элементов и модулей и предназначенные для передачи сигналов, и линии электропитания, осуществляющие подвод электрической энергии к элементам. В обоих случаях линии передачи имеют обратный провод, называемый землей (линией нулевого потенциала, общим проводом), по которому протекают возвратные токи сигнальных линий и линий электропитания.   

Линии передачи должны обладать:

– минимальным активным и индуктивным сопротивлением;

– однородным по длине линии волновым сопротивлением;

– минимальным полем вокруг линии при протекании по ней тока;

– способностью передавать электрические сигналы в широком диапазоне токов и напряжений;

– минимальной толщиной изоляционного слоя провода с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице;

Рекомендуемые материалы

– способностью к объединению в узлы;

– возможностью осуществления коммутации без механической поддержки;

– способностью к автоматизации при проведении монтажных работ.

Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является металлическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. В поперечном сечении провода бывают круглыми или прямоугольными, а пленочные и печатные проводники – только прямоугольными. Провода защищаются изолирующими диэлектрическими оболочками, либо оболочками с экранами. По волноводам и волоконно-оптическим линиям передачи передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод) и светового (световод) диапазона.

Линии электропитания представляют собой объемные провода, пленочные и печатные проводники, либо проводящие пластины.

Все сигнальные линии связи можно разделить на электрически "короткие" и электрически "длинные".

Электрически "короткой" называют линию связи, время распространения сигнала в которой меньше величины переднего фронта передаваемого по линии импульса.

Электрически "длинная" линия связи характеризуется временем распространения сигнала, много большим фронта импульса.

В пределах ячеек и модулей связи, как правило, электрически короткие. Соединения внутри субблоков, блоков, панелей, внутристоечные и межстоечные для быстродействующих микроэлектронных ЭВМ в основном электрически длинные.

Будем рассматривать помехи при соединении элементов "короткими" связями.

1) Индуктивный характер сигнальной связи.

Рис. 3.1. Эквивалентная схема соединения двух элементов.

Так как логические схемы имеют нелинейные входные и выходные характеристики, то их R_вх и R_вых при переключении схем из одного состояния в другое могут изменяться на несколько порядков. При подаче на вход схемы фронта напряжения амплитудой U_вых1, напряжение на входе второго (R_вых << R_вх) элемента определяется соотношением

                                 ,                                                           (3.1)

где t =L /(R_вх2 +R_вых1).

Величина задержки может быть определена из (3.1). Если принять, что U_вх=U_порог=U_вых/2, то t_з » 0,7t = 0,7L /(R_вх2 +R_вых1).

Для уменьшения задержки необходимо, чтобы L уменьшалась и R_вх2 увеличивалось. Индуктивность линии связи зависит от типа используемых проводников, их сечения и длины.

2) Ёмкостной характер сигнальной связи.

Эквивалентная схема соединения двух элементов:

Рис. 3.2. Эквивалентная схема соединения двух элементов.

Влияние ёмкостной линии связи аналогично влиянию индуктивной сигнальной связи и выражается в задержке включения нагруженных схем (Рис.3.2).

При условии, что R_вых<<R_вх2 имеем:

                                 ,                                                      (3.2)

где t » R_вых1×C. Формулы расчета ёмкости на единицу длины различных линий связи представлены в справочниках.

3)Паразитная  ёмкостная и индуктивная связи между сигнальными проводниками.

С уменьшением геометрических размеров элементов и повышения плотности их размещения между сигнальными проводниками возникают ёмкостная и индуктивные связи. При переключении элементов по сигнальным цепям протекают импульсные токи с крутыми фронтами, которые, в следствие наличия паразитных связей, наводят на соседних сигнальных проводниках помехи. Последние при определённых условиях могут вызвать ложное срабатывание элементов схем. Необходимо, чтобы величина помехи не превышала допустимого размера.

Рассмотрим две цепи, выполненные по печатной технологии, имеющие общий участок l, на котором они располагаются параллельно друг другу на расстоянии d (Рис.3.3).

Рис. 3.3. Изображение и схема двух параллельных проводников.

Проведём отдельно анализ ёмкостной и взаимоиндуктивной помех.

а) Случай преобладающего влияния ёмкостной связи.

Предположим, что цепь - источник помех нагружена на источник напряжения U. Кроме того, пусть М»0, (где М - паразитная взаимоиндукция); R_вх >> R_вых; фронт импульса источника помехи имеет конечное значение t_ф ¹ 0. При этом амплитуда наведённой помехи:

                                ,                                                           (3.3)

где .   Так как t_ф >> t, R_вх >> R_вых, то

                                   .                                                     (3.4)

Для выполнения условия надёжной работы элемента необходимо чтобы выполнялось неравенство:

                               ,                                             (3.5)

где  - коэффициент помехоустойчивости элементов. Подставив в (3.5) формулу для расчёта ёмкости связи и решив его относительно параметра l, найдём допустимую длину общего участка l_c

                                         ,                                       (3.6)

где e_r - диэлектрическая составляющая материала основания (стеклотекстолита). Для выполнения данного неравенства необходимо уменьшать R_вых, длину связей, их сечение, увеличивать величину фронта импульсов и коэффициент помехоустойчивости элементов, расстояние между линиями связи, применять изоляционные материалы с хорошими диэлектрическими свойствами.

б) Случай преобладающего влияния взаимоиндуктивной связи.

Предположим, что цепь – источник помех нагружена на источник тока I. Пусть также R_вых << R_вх. При этом ЭДС, наведённая на другой цепи связи:

                                                  ,                                                           (3.7)

где М_1,2 – паразитная взаимоиндукция, которая практически полностью окажется на сопротивлении R_вх и будет воспринято как помеха.

Условие надёжной работы элементов:

                         ,                                          (3.8)

где U_порог. – порог срабатывания элемента.

Подставив в (3.8) выражение для расчёта взаимоиндуктивности между проводниками и решив его относительно параметра l найдём допустимую длину общего участка связи l_m.

                                     ,                                                  (3.9)

где m_k – магнитная проницаемость материала основания (стеклотекстолита).

Чтобы обеспечить устойчивую работу элементов необходимо уменьшить длину цепей связи, амплитуды токов, увеличить порог срабатывания элементов, величину фронта передаваемых импульсов, расстояние между проводниками связей.

в) Общий случай: в цепи – приёмнике наводки – возникают как ёмкостная, так и индуктивная помехи.

При этом ёмкостная наводка изменяет потенциал всей линии связи, а индуктивная создаёт разность потенциалов между входом и выходом линии. Прямой способ нахождения суммарной помехи сложен. Достаточно хорошо приближенное решение может быть найдено путём нахождения l_c и l_m (допустимой длины общего участка связи) для каждой составляющей помехи. Полагая, что амплитуда помехи пропорциональна длине провода, можно определить допустимую длину общего участка двух сигнальных цепей связи по формуле:

                                           ,                                                          (3.10)

где l_m – длина участка двух параллельных проводников, при которой ещё не сказывается взаимоиндукция, а l_c – длина, при которой ещё не сказывается общая ёмкостная связь.

Лекция 21. Помехи при соединении элементов "длинными" линиями связи

Электрически длинную линию связи при расчетах схем рассматривают как однородную линию с распределённой ёмкостью С₀ и индуктивностью L₀. Переходные процессы в таких линиях зависят от характера перехода напряжения на входе линии U_вх(t) и соотношения волнового сопротивления Z₀ линии, выходного сопротивления генератора импульсов Z_г и входного сопротивления нагруженного на конец линии элемента Z_н.

Рис. 3.4. Схема нагруженной линии.

Из теории длинных линий известно, что если линия с волновым сопротивлением Z₀ нагружена на сопротивление Z_н, то коэффициент отражения напряжения K_u(P) (где Р – комплексная переменная) будет равен

                             .                                                 (3.11)

Если Z_н=Z₀, то K_u(P)=0 и такую линию называют согласованной, т.е. в ней не происходит отражений от сопротивления нагрузки.

Если Z_н¹ Z₀, то K_u(P)¹ 0 и такую линию называют несогласованной: волна напряжения, достигнув конца линии, отражается синфазно [K_u(P)>0] или противофазно [K_u(P)<0]. Отражённая от конца линии волна напряжения, достигнув её начала, или затухает, если Z_г=Z₀, или вновь отражается, если Z_г¹ Z₀.

Отраженные волны напряжения накладываются на падающие и в итоге форма U_вх(t) может существенно исказится.  Отражения волн напряжения и тока могут быть не только от несогласованных нагрузок на концах линий, но и от различных неоднородностей в ней самой.

Для анализа переходных процессов в электрически «длинной» линии связи необходимо знать её волновое сопротивление Z₀. По определению:

                                   ,                                                                     (3.12)

где  - скорость распространения волны вдоль линии; m_г и e_г – магнитная и диэлектрическая проницаемость среды; с₀ – погонная ёмкость линии связи.

Отражение в «длинной» линии связи при различных нагрузках.

В общем виде входное сопротивление нагрузки можно представить в виде следующей эквивалентной схемы

R₂=¥ - чисто резистивная нагрузка;

R₁=¥ , R₃=¥ - чисто ёмкостная нагрузка.

           Рис. 3.5. Эквивалентная схема входного сопротивления

Рассмотрим линию связи (рис. 3.4). Пусть Z_н=Z₀, время прохождения сигнала вдоль линии будет Т. Проведём исследование влияния характера нагрузки, представленной на рисунке 3.5 на процесс передачи входного сигнала.

1) Нагрузка чисто резистивная  (R₂=¥; Z_н=R₃).

В этом случае возможны три варианта: Z₀=R₃, Z₀<R₃, Z₀>R₃. Коэффициенты отражения для каждого из вариантов равны K_u1=0, K_u2>0, K_u3<0.

При Z₀=R₃ отражение от конца линии не произойдёт и форма сигнала на входе линии не изменится.

При Z₀¹R₃ отражённая волна через время 2Т достигнет точки А и форма сигнала исказится.

  Рис.3.6. Случай чисто резистивной нагрузки

2) Нагрузка чисто ёмкостная  (R₁=¥, R₂=0, R₃=¥)

В этом случае:

              ,

где .

а) Если падающая волна – единичная ступенька с бесконечно коротким фронтом, то ; .

Переходя к оригиналам имеем .

б) Если входной сигнал – единичная ступенька напряжения с линейным фронтом нарастания с длительностью t  - тогда:

  Рис. 3.7. Случай чисто ёмкостной нагрузки              

                  .

3) Нагрузка резистивно-ёмкостная   (R₃=¥; R₂=0; C¹0; R₁=Z₀)

В этом случае ;  , где

а) Для ступеньки напряжения на входе линии: ; .

б) В случае падающей волны в виде ступеньки с фронтом t:        

                           Рис.3.8. Случай резистивно-ёмкостной нагрузки

3) Случай рассогласования волнового сопротивления с входным и нагрузочным сопротивлениями.

Пусть Z_н=R_н=R₃; R₂=¥ и Z_г=R_г

В случае когда линия согласована на входе или выходе, т.е. когда одно из сопротивлений R₃ или R_г равно Z₀, искажения минимальны и выражаются в задержке сигнала на величину t_з=Т.

   U_п – порог срабатывания элемента                                  

Рис.3.9. Случай чисто рассогласования выходного сопротивления

В общем случае время задержки, вносимое линией связи можно оценить следующим образом: 

Информация в лекции "2 Определение понятия опухоль" поможет Вам.

                                 .

При этом считаем переходной процесс законченным, когда величина U_отр будет меньше заданной величины, определяемой как aU_вх, где a<1.

Максимальная допустимая длина несогласованной линии связи может быть оценена по формуле

                                   ,                                                    (3.13)

где t_ф – длительность фронта сигнала, сек; v – скорость распространения сигнала, м/с; k_c – электрическая постоянная, численное значение которой зависит от конструкции схемы и линии связи; С₀ – скорость света в вакууме, 3×10⁸ м/с; e_г – диэлектрическая постоянная среды; m_г – магнитная проницаемость среды.

Время распространения сигнала вдоль линий связи для печатных линий не всегда минимально по сравнению с обычным монтажом. Для ориентировочных расчетов следует принять удельное время распространения электрических сигналов в свободном пространстве (вакууме) – 3,3 нс/м, по проводам с фторопластовым покрытием – 4,3 нс/м, по печатным проводникам на стеклотекстолите – 5,9 нс/м, по печатным проводникам на стеклотекстолите с полиуретановым покрытием – 7,5 нс/м.