Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Излучатели и детекторы. Мы уже упоминали светодиоды в связи с дисплеями и оптронами. Последнее достижение в области оптоэлектроники — это доступные недорогие твердотельные диодные лазеры, — источники когерентного света в отличии от диффузионных светодиодов. Один из них вы можете увидеть, если откроете верхнюю крышку портативного проигрывателя компакт-дисков. Диодные лазеры стоят около 20 долл. и продаются фирмами, производящими бытовую электронную аппаратуру (Matsushita, Mitsubishi, Sharp и Sony). Типичный диодный лазер генерирует 10 мВт световой мощности на 800 нм (невидимый в ближней инфракрасной области спектра) при токе 80 мА и прямом падении напряжения на диоде 2 В. Выходной поток излучается непосредственно из крошечного отверстия на кристалле с углом расхождения 10°-20°; его можно коллимировать с помощью линзы и получить параллельный пучок или очень маленькое фокусное пятно. Светодиодные лазеры широко используются в оптоволоконной связи.

Еще одной технологией производства излучателей является линейная светодиодная матрица высокой плотности; 300 излучателей на дюйм и даже больше; такие матрицы используются в светодиодных принтерах. При успешном развитии полупроводниковой технологии такие принтеры заменят лазерные, поскольку они проще, надежнее и обладают крайне высокой разрешающей способностью.

В области детекторов существуют несколько альтернатив простым фотодиодам и фототранзисторам, которые мы обсуждали выше, особенно когда требуется скорость или чувствительность. В разд. 15.02 мы рассмотрим PIN-диоды, приборы с зарядовой связью и усилители.

Цифровые сигналы и длинные линии

При передаче цифровых сигналов по кабелям или между отдельными приборами возникают специфические проблемы. Важную роль начинают играть такие эффекты, как емкостная нагрузка на быстрые сигналы, синфазные перекрестные помехи, а также эффекты «длинных линий» (отражение от несогласованной нагрузки, см. разд. 13.09). Чтобы обеспечить надежную передачу, в большинстве случаев необходимо использовать специальные средства и соответствующие интерфейсные ИС. Некоторые из этих проблем могут возникнуть даже на отдельной печатной плате, поэтому необходимо кое-что знать о способах передачи цифровых сигналов. Начнем с проблем передачи в пределах одной платы. Затем рассмотрим проблемы, возникающие при передаче сигналов между платами, по шинам данных, и наконец, при передаче сигналов между приборами по скрученным парам и коаксиальным кабелям.

Ток переходного процесса выходного каскада. Двухтактная выходная схема в ТТЛ и КМОП ИС состоит из пары транзисторов, включенных между U+ и землей. Когда состояние на выходе изменяется, существует короткий интервал времени, в котором оба транзистора находятся в открытом состоянии; на этом интервале от U+ к земле проходит импульс тока, создавая короткий отрицательный выброс на шине U+ и короткий положительный выброс на земляной шине. Эта ситуация показана на рис. 9.28.

Рис. 9.28. Помехи на шине земли.

Предположим, что ИС1 меняет свое состояние; в этом случае от шины +5 В к земле протекает большой кратковременный ток по указанным путям (для схем 74Fхх или 14АС(Т)хх ток может достигать 100 мА). Этот ток в комбинации с индуктивностью проводников земли и U+ приводит к появлению, как показано на рисунке, коротких выбросов напряжения относительно опорной точки. Несмотря на то, что выбросы могут иметь длительность всего 5÷20 нc, они доставляют массу неприятностей. Предположим, например, что ИС2, «простодушный свидетель», находящийся вблизи «кристалла-нарушителя», находится в состоянии низкого уровня и управляет схемой ИС3, расположенной несколько дальше. Положительный выброс на земляной шине ИС2 появляется и на ее выходе и, если этот выброс достаточно велик, ИС3 воспримет его как короткий выброс высокого уровня. Таким образом, на ИС3, расположенной на некотором расстоянии от «возмутителя спокойствия» ИС1, появится полноценный логический импульс, готовый помешать работе «добропорядочной» схемы. Много усилий не требуется для того, чтобы запустить или сбросить триггер, и такие выбросы тока по земляной шине блестящее умеют делать подобную работу.

Лучшей профилактикой против таких явлений является: а) использование большого числа земляных шин по всей плате вплоть до применения «земляных поверхностей» (одна сторона двухсторонней печатной платы целиком отводится под землю) и б) обильное использование конденсаторов развязки по всей схеме. Чем мощнее шины земли, тем меньше выбросы, индуцированные током (меньше индуктивность и сопротивление). Роль конденсаторов развязки, включенных между U+ и землей и разбросанных по всей плате, заключается в том, чтобы передать импульсы тока по кратчайшим путям с небольшой индуктивностью и существенно уменьшить выбросы по напряжению (конденсатор работает как локальный источник напряжения, поскольку напряжение на нем существенно не изменяется во время коротких выбросов тока).

Лучше всего установить возле каждой ИС конденсатор емкостью от 0,05 до 0,1 мкФ, хотя может оказаться достаточным и один конденсатор на две-три ИС. Кроме того, для запаса энергии полезно расставить по всей плате танталовые конденсаторы большой емкости (достаточно 20 мкФ, 20 В). Между прочим, конденсаторы развязки между шинами питания и землей рекомендуется ставить в любых схемах, будь то цифровые или линейные. Они помогают превратить шины питания в низкоимпедансные источники напряжения на высоких частотах и предотвращают сигнальную связь между схемами через источник питания. Шины питания без развязок могут привести к непредусмотренному поведению схемы, колебаниям и вообще к головной боли.

Выбросы, обусловленные емкостными нагрузками. Несмотря на развязки по питанию, ваши проблемы еще не закончились. Взгляните на рис. 9.29.

Рис. 9.29. Помехи на шине земли из-за емкостной нагрузки.

Цифровой выход обнаруживает паразитную емкость монтажа и входную емкость ИС, которой он управляет (обычно, 5-10 пФ) как часть общей нагрузки. Для того чтобы осуществить быстрый переход от состояния к состоянию, он должен отобрать от этой нагрузки или подать в нее большой ток в соответствии с I = C(dV/dt). Рассмотрим, например, схему 74АСхх (5-вольтовый выходной перепад за 3 нс), которая управляет общей емкостью нагрузки 25 пФ (это соответствует 3–4 логическим нагрузкам с короткими проводниками). Ток в момент логического перехода составляет 40 мА, т. е. почти на максимальной нагрузочной способности выхода управляющей ИС! Этот ток возвращается через землю (при переходе от высокого к низкому) или через шину +5 В (при переходе от низкого к высокому), индуцируя эти «шустрые» меленькие выбросы, о которых шла речь ранее (для того чтобы получить представление об их величине, примите к сведению тот факт, что индуктивность монтажа составляет примерно 5 нГн/см. На дюйме земляного провода, по которому протекает этот ток логического перехода, появится выброс U = L(dI/dt) = 0,2 В). Если ИС окажется октальным буфером с одновременными переходами на полдюжине выходов, то выбросы по земле превысят 1 В; см. рис. 8.95. Похожие выбросы по земле (хотя и поменьше) появятся вблизи управляемой ИС, где выбросы тока возвращаются на землю через входную емкость управляемого прибора. В синхронных системах с большим числом элементов, одновременно меняющих состояние, ситуация с выбросами-помехами становится настолько серьезной, что схема не в состоянии работать надежно.

Особое значение это приобретает для больших печатных плат с длинными межсоединениями и длинным земляным путем. В такой схеме могут происходить сбои, когда целая группа линий данных меняет свое состояние от верхнего уровня к низкому, вызывая появление кратковременного очень большого тока по земле. Такая информационная зависимость является характерной особенностью сбоев, обусловленных помехами, и хорошим обоснованием для прогона расширенных тестов памяти в микропроцессорных системах (в которых обычно имеется 16 линий данных и 24 адресных линии с самым разнообразным распределением информации).

Наилучший подход к проектированию состоит в том, чтобы использовать массивную разводку земли (для обеспечения низкой индуктивности), лучше всего в виде внутреннего слоя земли на многослойной плате (см. гл. 12) или по крайней мере перпендикулярных земляных проводников с обоих сторон более простой двухсторонней платы. Обильное использование конденсаторов развязки обязательно. Острота этих проблем не так велика для высоковольтных КМОП-элементов (благодаря медленным фронтам); с другой стороны, для логических семейств F, AS и АС (Т) эти проблемы достигают наивысшей остроты. Действительно, семейство АС (Т) настолько склонно к динамическим выбросам тока, что некоторые изготовители (начиная с TI) отказались от традиционного «углового» расположения выводов земли/питания в пользу «центрального» расположения с более низкой индуктивностью выводов; они пошли еще дальше, использовав для снижения индуктивности земли четыре соседних вывода. Учитывая эти проблемы, лучше не применять без нужды быстродействующее логическое семейство; вот почему мы рекомендовали использовать для общих целей логику НС, а не АС.