Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 234
Текст из файла (страница 234)
5 В. На входе логического элемента расположенного еще ближе к источнику сигнала, такое натряжение продержится даже дольше. В этом и состоит проблема, поскольку напряжение 2.5 В является как раз пороговым входным напряжением для 5-вольтовых КМОП-схем. Если такое входное напряжение присутствует на входе вентиля 1)1 достаточно долго, то на его выходе могут возникнуть колебания или установится выходное напряжение, не соответствующее ни одному из логических уровней. 11.4. Длинные линии, отражения и согласованная нагрузка 1059 Любое соединение, по которому передается логический сигнал, независимо от его физической протяженности, является длинной линией. Однако наше рассмотрение в значительной степени идеализировано. На праю нке эффекты, возникающие в длинных линиях не вызывают никаких проблем, если время Т меньше длительности переходов в логических сигналах и задержек, вносимых логическими элементами.
Когда выполнены эти условия, колебания, вызванные отражениями, заканчиваются, как правило, прежде, чем приемники, подключенные к шине, успевают их заметить. Некоторые неприятности возникают в том случае, когда с высокого уровня на низкий переходит сигнал на выходе быстродействующего элемента. Например, при низком уровне сигнала выходной каскад КМОП-вентиля семейства г СТ представляет собой резистор с сопротивлением 10 Ом, включенный между выходом и землей (рис. 11.1О).
Поэтому коэффициент отражения на передающем конце равен примерно-088. В первый момент, когда выходной сигнал переходит на низкий уровень, система выглядит как делитель напряжения, состоящий из резистора с сопротивлением 1О Ом, включенного последовательно с волновым сопротивлением линии, равным 150 Ом. Учитывая, что начальное напряжение на линии равнялось 5 В, новое напряжение на входе линии должно стать равным 150 Ом+10 Ом Следовательно, вдоль линии начнет распространяться волна напряжения с амплитудой (0.31 — 5.0) = -4.69 В. Когда спустя время Тэта волна достигает приемного конца линии, происходит отражение с сохранением знака н с той же амплитудой отраженной волны (так как р = 1). Таким образом, напряжение на приемном конце линии теперь равно )' = 5.0 — 4.69 — 4.69 =-4.38 В, то есть напряжение становится 2 отрицательным! Это явление называется отрийательным выбросан 1ипйегз)гоо1). Выходке~ каскад схемы семейства гСТ Рис.
11.10. Отражения в линии при изменении передаваемого логического сигнала с высокого уровня на низкий 1060 Глава11.Практические!дополнения Когда в момент времени 2Т отраженная волна напряжения с амплитудой -4.69 В возвращается к передающему концу линии, происходит еще одно отражение. На сей раз, поскольку значение р отрицательно, отраженная волна положительна, а ее амплитуда равна-0.88 (-4.69) =+ 4.10 В. Теперь напряжение на выходе источника сигнала изменяется на величину, равную сумме амплитуд двух волн: волны, пришедшей со стороны дальнего конца линии, и новой отраженной волны, уходящей в сторону дальнего конца линии; поэтому К, = 0,31 — 4.69 + 4.10 = — 0.28 В. В этом месте не возникает никаких проблем.
Но когда в момент времени 3 Тотраженная волна напряжения с амплитудой+4.! 0 В достигает приемного конца линии, происходит очередное отражение, в результате которого возникает волна той же полярности, и напряжение на входе вентиля 132 становится равным !' = -4.38+ 4.10+ 4.10 = 3.82 В, то есть мы снова возвращаемся к положительному напряжению! Согласно рисунку, отражения продолжаются и в дальнейшем, и напряжения на передающем и приемном концах линии асимптотически стремятся к 0 В. Это значение можно было бы предсказать, анализируя поведение схемы по постоянному току.
Такой колебательный характер изменения напряжения называется звоваи (г!и8ог8). Большая амплитуда звона иа приемном конце линии может вызвать осложнения, так как в течение интервала времени длительностью 27Тнапряжение К не попадает в диапазон значений, меньших, чем величина порога для сигнала низкого уровня (0.8 В). Таким образом, фактическая задержка передачи сигнала в этой схеме оказывается во много раз больше задержки распространения сигнала по линии. Хуже того, если данный сигнал является тактовым сигналом, то в результате звона появятся дополнительные фронты, приводящие к ошибочному переключению триггеров на приемном конце линии. Еще раз, рассмотренные нами эффекты, возникающие в длинной линии при передаче логических сигналов, не вызывают никаких проблем в том случае, когда время Т нам ного меньше длительности переходов в логических сигналах и задержек, вносимых логическими элементами.
Кроме юго, во входных цепях ТТЛ- схем и многих КМОП-схем имеются демпфярующие диоды (с!атрт8 И!одев). При нормальной работе эти диоды, включенные между кажды и из входов и землей, смещены в обратном направлении (см. рис, 3.75). Благодаря наличию этих диодов входное сопротивление вентиля при отрицательных напряжениях становится очень малым, в результате чего отрицательный выброс, возникающий в момент времени Т, оказывается не таким большим по величине и его значение равняется примерно 1 В. Поэтому уменьшается амплитуда отраженной волны, распространяющейся назад к передающему концу линии, что в свою очередь дает меньший выброс в момент времени 3 Т, не превосходящий 1 В. Кроме того, на входах некоторых схем имеются диоды, подключенные к источнику питания Рос, что ограничивает выбросы напряжения, возникающие тогда, когда сигналы на выходах вентилей с малым выходным сопротивлением переходит с низкого уровня на высокий.
11.4.длиииыелииии,отражеиияисогласоваииаянагрузка 1061 1 1.4.3. Согласованные нагрузки на концах линий передачилогическихсигналов Отражения могут быть устранены при включении в конце длинной линии нагрузки с сопротивлением, равным волновому. Обычно применяются два метода. Как видно из рис. 11.11(а), оконечное нагрузка (7ийтелт гегттапол) состоит из пары резисторов, включенных в конце линии. Согласно теореме Тевенииа, эту оконечную нагрузку можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис.
11.11(Ь). При выборе сопротивлений резисторов учитывается несколько факторов: 1. Эквивалентное сопротивление йп должно равняться волновому сопротивлению линии к или быть близким к нему. Эквивалентное сопротивление равно сопротивлению параллельно соединенных резисторов И и А2, то есть (И Я2)/(И +32). 2. Эквивалентное напряжение К можно выбрать так, чтобы оптимально удовлетворить требованиям, которые предъявляются к току, втекающему в выходной каскад вентиля, и к току вытекающему из него.
В данном случае = К Ж1(И + к2). — Если значения вытекающего и втекающего токов при высоком и низком уровнях сигнала на выходе вентиля, являющегося источником сигнала, передаваемого по линии, равны (как это имеет место в стандартном КМОП- вентиле, не совместимом с ТТЛ-схемами), то значение К „можно выбтьеч рать посредине между К „и К „. — С другой стороны, если выходной каскад вентиля таков, что втекаю щий ток больше вытекающего тока (что имеет место в ТТЛ-схемах и в ТГЛ-совместимых КМОП-схемах), то значение К выбирается ббльшим по величине, и тогда, в соответствии с предъявляемыми требованиями, значение вытекающего тока при высоком уровне выходного сигнала будет меньше, а значение втекаюшего тока при низком уровне выходного сигнала — больше.
3. Для шин с тремя состояниями эквивалентное напряжение К „можно выбрать так, чтобы оно строю соответствовало тому или иному логическому уровню, когда на шину не подается сигнал ни одним из подключенных к ней источников сигналов, В этом случае особенно важно выбрать значение 1' „,„ далеким от порога переключения вентилей, чтобы они не потребляли чрезмерный ток и не переходили в режим колебаний, 4. В конечном счете, сопротивления резисторов выбираются из существующих номинальных значений (например, 150, 220, 270, 330, 390, 470 Ом). «Стандартная» оконечная нагрузка в устройствах с ТГЛ-схемами выглядит следующим образом: И =220 0м,й2 = 330 0м,что дает й „=132 Ом и К, = 3.0 В.
При низком уровне выходного сигнала источник сигнала должен допускать втекание тока, равного (3.0 В)/(132 Ом) = 22.7 мА, а высокий уровень выходного сигнала надежно поддерживается даже в том случае, когда вытекающий ток источника сигнала равен О. 1002 Главе 11. Г)рактическиедополиеиия Ъ»- :(н) «перемычки» ИСТОЧНИК 1 « длинная линия юрсткне соединения, е еремьпкн» приемники Рмс. 11.12. Согласование со стороны источника сигнала Согласование со стороны источника сигнала хорошо работает в юм случае, когда выходные сопротивления источника сигнала при низком и высоком уровнях на его выходе можно считать практически равными (как, например, у КМОП- схем). В типичных схемах при волновых сопротивлениях линий порядка 50 — 100 Ом применяют добавочные резисторы с сопротивлениями 15-40 Ом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
