Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 233
Текст из файла (страница 233)
1О а 24 15+ 50 10 ь 500) Р(Т из = 7280 отказов /1Оз часов. ИС малой степени интеграции ИС средней степени интеграции Большая интегральная схема Микропроцессор (СВИС) Резистор Развязывающий конденсатор Разъем (в расчете на один контакт) Печатная плата 90 160 250 500 10 15 10 1000 1054 Глава 11.
Практические дополнения Среднее время между отказами одноплатной системы равно 1/Л илн приблизительно 15 с лишним лет. Дада, небольшие устройства действительно могут быть такими надежными. Конечно, если мы учтем интенсивность отказов типичного источника питания, превышающую 10000 Р(Т, то среднее время между отказами сократится более чем вдвое. 11.4.
Длинные линии, отражения и согласованная нагрузка Ничто не происходит мгновенно, особенно в тех случаях, когда это касается цифровых схем. В частности, необходимо учесть тот факт что задержка электрических сигналов, распространяющихся по проводом «со скоростью света», составляет порядка 4.5-6 нс на метр (точное значение задержки зависит от характеристик сигнальной линии). Когда задержки в линиях соизмеримы с временем перехода сигналов с низкого уровня на высокий и в обратном направлении, мы не должны считать, что соединения выполнены идеальными проводниками с нулевой задержкой, а рассматривать их как «длинные линии», чем они в действительности и являются.
В длинной линии наблюдаются такие изменения сигналов, которые нельзя предвидеть, анализируя работу схемы по «постоянному току». Наиболее значительные изменения происходят в течение интервалов времени длительностью примерно 2Т после того, как изменяется сигнал на выходе источника, где Т вЂ” задержка распространения сигнала от выхода источника до дальнего конца линии, по которой передается этот сигнал Если длительность переходов в сигнале и задержка его распространения в схеме намного больше, чем 2Т, то процессы, происходящие в длинной линии, практически не влияют на логику работы этого устройства.
Таким образом, свойства длинной линии учитываются, как правило, только тогда, когда длина соединений превышает 60 см в случае ИС семейства 741.8, 3 0 ем — для ИС семейств 74АЯ, 74АС и 74АСТ и 1О см-лщя ИС семейства 74РСТ и ЭСЛ-микросхем. Естественно, что, в зависимости от конкретной задачи, иногда можно избежать неприятностей при наличии и более длинных связей, но бывают ситуации, когда теория длинных линий должна применяться и при более коротких соединениях.
Даже при разработке внутренней структуры СБИС с большим быстродействием необходимо учитывать явления, которые могут возникать в длинных линиях. 11.4.1.0сновытеориидлинныхлиний Простейшая длинная линия (ггаплгпцлгоп йпе) представляет собой два параллельно идущих проводника, Рассмотрим пару проводников бесконечной длины, изображенную на рнс.
11.6(а). Если к этой паре проводников мгновенно подключить источник напряжения, то потечет ток, образуя волну напряжения, распространяющуюся вдоль линии. Отношение напряжения к току Р (7, зависит от физических характеристик проводников и называется волновым сопрагпивлени«м (с)гагасгег!лгГс нпрейапсе) линии Л . 11.4. Длинные линии, отражения и согласованная нагрузка 10бб (а),... нкание к»кла в момент Е = О (Ь) Рис.
11.6. Длинные линии: (а) линия бесконечной длины; (Ь) линия конечной длины, нагруженная на конце сопротивлением, равным волновому Рассматривая последовательно включенные Я и У как делитель напряже- 5СГ ния,найдемвеличину 1' аы 2о о»' ккс р +у Конечно, у иас нет никаких бесконечно длинных проводников. Однако предположим, что имеется пара проводников длиной 1.5 метра и на дальнем конце этой линии включен резистор, сопротивление которого равно к..
Если на эту пару проводов мгновенно подать напряжение, как показано на рис. 11.6(Ь), то потечет тот же самый ток, что и в случае с линией бесконечной длины. Таким образом, когда линия нагружена сопротивлением, равным волновому, нам не нужно учитывать какие-либо еще эффекты в длинной линии. Иная ситуация наблюдается в том случае, когда длинная линия конечной длины не нагружена сопротивлением, равным волновому, Предельный случай имеет место, когда дальний конец замкнут накоротко, как показано на рис. 11.7(а). Ради простоты предположим, что в этом примере Я = 2.
В первый момент ккс 0 источник «видит» волновое сопротивление линии, и скачок напряжения величиной ~'„/2 благополучно распространяется вдоль линии. Но когда в момент времени Т волна достигает дальнего конца, она «натыкается» на короткое замыкание. Чтобы удовлетворялись требования законов Кирхгофа, вдоль линии в обратном направлении начинает распространяться волна напряжения противоположной полярности, гася исходную волну, На дальнем конце происходит отражение (гег7ес.')оп) исходной волны, и спустя время 2 т источник сигнала «видит» короткое замыкание. 1056 Глава 11.
Практичвскивдополненив (а) задержка распространения ло о т .г о у и кляпа в момент 1 = 0 (Ь) и гл2 Ч и О т 2т ' о т 2Т о т и Рис. 11.7. Длинные линии; (а) замкнутая накоротко на дальнем конце; (Ь) разомкнутая на дальнем конце Другой крайний случай имеет место при разомкнутом дальнем конце, как показано на рис. 11.7(Ь), Процесс начинается так же, как н прежде.
Но в момент времени, когда начальная волна напряжения достигает дальнего конца, току течь некуда, и поэтому возникает волна напряжения вой же полнрносгпи, которая распространяется к началу линии, добавляясь к исходному напряжению. К моменту времени 2Т, когда отраженная волна достигает источника, повсюду вдоль линии установится напряжение, равное )', и дальнейших изменений происходить не ис' будет. В общем случае амплитуда волны, отраженной от конца длинной линии, определяется коэффициентам отражения р (лег)есгюп соево(епг). Величина р зависит от значения Ле и от сопрогпивления нолрузки Х, (гегпипапоп ппреИапсе), подключенной на конце линии: ~впп ~0 р= г +го Когда волна напряжения с амплитудой к', достигает конца длинной линии, происходит ее отражение с амплитудой р )' „Заметьте, что нами рассмотрены три простых случая: 2м,=У, Длинная линия нагружена волновым сопротивлением, коэффициент отражения равен О.
11.4. Длинные линии, отражения н согласованная нагрузка 105 Коэффициент отражения короткозамкнутой линии равен -1; возни кает отраженный сигнал, равный по величине пришедшему, но про тивоположной полярности. Коэффициент отражения разомкнутой линии равен +1; возникае отраженный сигнал, равный по величине пришедшему, той же по лярности. г ОООО Если выходное сопротивление источника)! не равно У, то на ближнем кони~ ВО о' линии тоже возникают отражения и происходит это так же, как и на дальнем конце На каждом из юнцов линии имеется свой коэффициент отражения р. Для лини! справедлив принцип суперпозичии (рг!пс!р(е а) вирегроз!г!оп), состоящий в том что напряжение в любой момент времени в любой точке линии равно суммО начального напряжения в этой точке и напряжений всех волн, прошедших чере3 эту точку к данному моменту времени.
Говорят, что Длинная линия сагласаваттс (таге)тет)тапттав!оп !!пе), если она нагружена волновым сопротивлением. На рис. 11. 3 показаны сигналы в длинной линии, которая не согласована с обоих концов. (Здесь считается, что источник напряжения 1' является идеальным, то ОГО есть его внутреннее сопротивление равно 0 Ом.) Отражения происходят от обоих концов линии с все меньшими и меньшими амплитудами отраженных волн, распространяющихся в прямом и в обратном направлении.
Напряжение по всей длине линии асимптотически стремится к величине 0.9К „которую дает закон Ома при анализе схемы по постоянному току. О„, = .4 Т„ О ТТ„, О О Т ТТ ТТ 4Т Т О О Т ТТ ТТ ОТ ТТ О Г Т 4Т 44 ОТ Рнс. 1 1.8. Длинная линия, не согласованная с обоих концов 11.4.2. Передачалогическихсигналоаподлинным ЛИНИЯМ 33 ЗОО 2334 Итак, какое влияние оказы ваот эффекты в длинных линиях на передачу логических сигналов? Давайте рассмотрим случай, когда сигнал с выхода КМОП-схемы семейства 74НС посту пает на вход другой КМО П-схемы, которая включена на конце длинной линии, образованной сигнальным проводом и землей, как показано на рис. 11.9. Сопротивление «открытого» р- или и-канального транзистора на выходе микросхем семейства НСТ равно примерно 100-200 Ом; для простоты примем ! 088 Глава 11.
Првктическиедополиения его равным 150 Ом как при высоком, так и при низком уровне выходного сигнала. Волновое сопротивление типичного соединения в виде дорожки (!гасе) на печатной плате относительно земли находится в пределах 100 — 150 Ом; давайте для удобства примем его равным 150 Ом, чтобы коэффициент отражения на том конце линии, к которому подключен источник сигнала, был равен О.
Входное сопротивление КМОП-схемы в типичном случае больше 1 МОм, поэтому коэффициент отражения на приемном конце линии можно принять равным «1. Выходной нелад КМОП-схемы ххч хзх о 7 О г г Рис. 11.9. Отражения в линии, по которой передается логический сигнал, изменяющийся от низкого уровня до высокого На рисунке представлен случай перехода сигнала с низкого уровня на высокий. Когда уровень сигнала на выходе КМОП-схемы изменяется с низкого на высокий, источник напряжения 5 В оказывается нагруженным последовательно включенными выходным сопротивлением КМОП-схемы, равным 150 Ом, и волновым сопротивлением линии У = 150 Ом, поэтому вдоль линии начинает распространяться о волна напряжения с амплитудой 2.5 В. Спустя время Тэта волна достигает входа вентиля 02 на дальнем конце линии и отражается. По прошествии времени 2Тотраженная волна достигает конца, к которому подключен выход логического элемента, и поглощается без отражения, поскольку на этом конце р = О.
Все работает прекрасно в том, что касается вентиля 1)2 на дальнем конце линии„который «видит» мгновенное изменение напряжения от О В до 5 В через время Т после того, как произошло переключение в источнике сигнала. Однако посмотрите на форму сигнала, поступающего на вход другого вентиля 01, расположенного на полпути между источником сигнала и вентилем 1з2. Как видно из рисунка, на входе вентиля 1)1 в течение времени Тприсутствует сигнал с напряжением только 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
