Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 1. Основы цифровой электроники на ИС (1987) (1092081), страница 43
Текст из файла (страница 43)
5.9. Минимизация перекрестных помех с помощью автономных линий воз. врата. н обратного токов, в результате чего одновременно сводятся к минимуму н рассеянные поля, которые вызывают перекрестные помехи (рнс. 5.9,а). Такое расположение проводов приводят к тому, что электростатическое поле также концентрируется в пространстве между ними н в результате резко уменьшаются соответствующие рассеянные поля (рнс. 5.9, б). Если для передачи сигналов применяются плоские (ленточные) кабели, в ннх следует располагать как можно ближе друг Рекомендации ао разработке и монтажу логических схем к другу сигнальный и земляной проводники, т.
е. проводники прямого и обратного токов. При этом кабель становится в два раза шире. Другим способом является использование плоского кабеля, который снабжен плоскими шинами заземления в виде медных оплеток, закрепленных по обе стороны плоского кабеля (см.
разд, 5.16). Перекрестные помехи в случае коротких сигнальных связей на печатных платах европейского формата (Еврокарта) обычно не создают никаких проблем, по крайней мере, для стандартных ТТЛь маломощных ТТЛШ- и КМОП-схем. Для ТТЛШ-, усовершенствованных маломощных ТТЛШ- и ЭСЛ-схем в основном используются многослойные печатные платы, в которых сигнальные шины экранированы друг от друга с помощью шины заземления, представляющей собой один из слоев этой платы.
При использовании двусторонних печатных плат желательно обеспечить условия, когда проводящие шины с одной стороны платы располагаются по возможности под прямым углом к шинам с противоположной стороны. Следует избегать параллельного размещения сигнальных шин длиной ь25 см.
При соединении схем, расположенных на разных платах, с помощью разъемов следует предусматривать, чтобы контакты для передачи логических сигналов покрывались тонким слоем золота. Это требование связано с малой величиной токов, протекающих между контактами. В связи с этим также не рекомендуется передавать логические сигналы через механические переключатели, которые не имеют золоченых контактов.
5.3. Отражение сигналов Отраженные сигналы обычно наблюдаются в длинных линиях, которые не имеют согласующей нагрузки. При отражении сигнала передаваемая информация большей частью становится непригодной. Отражения приводят к снижению помехоустойчивости и вызывают дополнительные задержки, колебания и выбросы. Процессы отражения поясняются на рис. 5.10 — 5.16. Из этих рисунков можно понять суть эффекта отражения.
На рис. 5.10,а приведена форма волны, появляющаяся на входе линии передачи, к которому через сопротивление Я; присоединен импульсный генератор. В этой схеме можно использовать и внешнее последовательное сопротивление )т,. Выход линии разомкнут. На этом рисунке показано, что произойдет, если )тг будет больше или меньше Ла или же А';=Ха, где х,н — волновое сопротивление линии. Как показано на этом рисунке, сигнальную линию можно представить в виде цепи, состоящей из индуктивностей и емко- 270 Глава 5 стей. Ее волновое сопротивление равно )1ЦС. Волновой фронт, т.
е. фронт импульсного сигнала, который поступает в линию, будет распространяться к ее концу, нагруженному на выходное сопротивление. Если линия нагружена на волновое сопротивление, т. е. на л,», энергия волны полностью выделится на нем и К и и д. ДО7»7 л, У ~' >л'к »а»кака кп Рис. 5.10. Отражения на входе линии передачи при 77;>л», 17~(Л» и й=Е». никакого отражения не произойдет. Если же величина выходного сопротивления линии отличается от Л», возникают ситуации, показанные на рис. 5.16. Мы еще вернемся к ним ниже. В момент возникновения положительного импульса перепад напряжения на входе линии имеет величину, равную л,»~(К+ 1 +к»). Если Я;=Л», она составит — Ув (рис, 5.10,а). Волновой фронт распространяется вдоль линии, достигает ее конца, отражается, накладывается на исходный перепад напряжения и возвращается в начало линии.
Этот процесс характерен для линии с разомкнутым концом. Возникновение отра- Рекомендации но разработке и монтажу логических схем 27Г женной волны происходит из-за того, что ток на выходе должен изменить свое направление на обратное'г. Для того чтобы через линию мог протекать обратный ток,. прямой ток от источника должен быть скомпенсирован. Для этого требуется напряжение Уе[лв/(гт',+7,.)1. Такое же напряжение требуется для того, чтобы через волновое сопротивление протекал обратный ток, поэтому на выходе линии должно появиться полное напряжение, равное 2У, 1К,ПЛг+2,11. Прн 1с,=Ль напряжение на выходе линии будет равно 1 2Х вЂ” Ул= Ук.
Волновой фронт вернется назад по истечении времени 2т. Отражение увеличит напряжение на входе до величины Уа. т. е. входное напряжение возрастет до стационарной конечной величины, при этом линия перейдет в состояние равновесия. В случае отрицательного фронта импульса произойдет то же самое, однако после отражения через время, равное 2т, стационарное значение напряжения будет равно нулю.
Для короткозамкнутого выхода первый этап генерации входного напряжения аналогичен тому, что происходит в разомкнутой линии. После отражения от короткозамкнутого выхода полярность волны напряжения изменяется на противоположную и по истечении времени т первоначальный скачок напряжения исчезнет, как показано на рис. 5.10,б. По истечении времени 2т линия переходит в состояние равновесия и стационарное значение напряжения становится нулевым. Для сигнальной линии, которая подключена к выходу импульсного генератора с внутренним сопротивлением 1сг и нагружена на сопротивление 1г„выполняется следующее соотношение; У' =У У „,=У, где У+ге> — положительный перепад напряжения на входе линии в момент времени 1,, когда появляется фронт импульса, Конечное значение напряжения на выходе, соответствующее состоянию равновесия, равно ав Увых — Уа гг.
о Так как выходной конец линии разомкнут, то выходной ток линии равен нулю. Чтобы обеспечить зто условие, на выходном конце должен сформироватьси сигнал, компенсирующий ток падающей волны, т.е. ток в отраженной волне должен быть обратным. — Прим. Ред. 272 Глава о Для разомкнутой линии 11,„,<,>=211+<о> и для короткозамкнутой линии У„,„=О.
При )т,=Хо величина У,,<,>=У~<о>. Отраженная компонента, которая появляется на выходе по истечении времени т, равна »+ 2»о ><в В>+»+ о<о>= <О> ал > >7 <О>= <О> 1> +~ Если )<„=ло, отражение отсутствует. Отношение >7» — го >~в+ хо ' называется коэффициентом отражения ры По истечении времени 2т отраженная компонента появляется в начале линии, где она отражается и вновь направляется к выходу линии. Коэффициент отражения в начале линии, обозначаемый через рв, выводится так же, как и ры и равняется >7< — Ел 7< +хо Когда волна напряжения отражается от короткозамкнутого входного или выходного конца линии Я,„=О или )<„=О), ее энергия проявляется в форме отраженного токового сигнала, причем коэффициент отражения по току равен коэффициенту отражения по напряженшо, взятому с противоположным знаком, т.
е. ><в — Ао Р~Г. 1< и Рис После отражения от короткозамкнутого конца амплитуда отраженного тока становится равной 21,.„>, а после последующего отражения от разомкнутого конца она вновь станошпся равной 1<„,>, прн этом амплитуда отраженной компоненты напряжения становится равной У„,>. Оба предельных случая — для линий с разомкнутым и короткозамкнутым концами соответственно представлены на рис. 5.11,а и б. где Ь> — сопротивление нагрузки, иии.
Выходное напряжение после в течение времени т, получается из включенное на выходе липервого этапа, длящегося соотношения ~~о Хл+ 1< /г гтг гггг Рекомекдачии но ризрабогке и монтажу логиыеских схем 273 Как видно из рис. 5.11, отраженная волна напряжения, обозначенная символом генератора с положительным фронтом, возвращается к началу линии и создает при этом обратный ток ( — г), который достигнет начала линии по истечении времени 2т, отсчитываемого от момента 1о. Для поддержания этого тока требуется напряжение, равное ()+<о>(1+р), которое в этом предельном случае равно 2У"<оь В случае полного отражения тока в линии возникает отрицательный фронт напряжения, представленный на рис. 5.11,6 (Ь %1(Р4 д ига! ууууу, Рис. 5.1!. Механизм отражения напряжения и тока. о — отражение напряжения; б — отражение тока.
условным генератором с символом отрицательного фронта. Можно представить, что этот генератор, как и генератор напряжения, показанный на рис. 5.11, а, заменяет собой генератор, включенный в начале линии. Через генератор протекает ток 21, который индуцирует на открытом конце в начале линии напряжение 2УР<еь после чего снова произойдет отражение напряжения. Напряжение будет равно при этом 2У+<оь а ток уменьшится в два раза до величины Е Отсюда следует, что для нагрузок в диапазоне от Я» до оо (разомкнутая линия) возникают отражения как тока, так и напряжения, при этом отраженная волна напряжения имеет положительный фронт, а отраженная волна тока — отрицательный.
Для нагрузок от Е» до 0 (короткозамкнутая линия) также возникают обе эти компоненты, однако при этом отражение тока происходит с положительным фронтом, а отражение напряжения — с отрицательным. На рис. 5.12 показано, как можно представить механизм отражения прямой и обратной волн и как преобразуется напряжение на входе и выходе линии после ряда последовательных отражений. Для наглядности ограничимся случаем, когда оба ко- 274 Глава 5 - убуьулуг НЬа) Нонна 5~а) (1+Уь) ( з'Г дт йт 7Г Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
