10.8 Патологии логических схем



==755

Существуют интересных и часто неожиданные ловушки, поджидающие начинающего проектировщика цифровых схем. Некоторые из них, такие как логические гонки или зависание, не зависят от используемого логического семейства. Другие ( «тиристорное защёлкивание» у КМОП ) являются родовыми аномалиями конкретного семейства или технологии. Ниже приводится небольшая коллекция проблем, набранная при практической разработке, в надежде, что это собрание личных анекдотов поможет кому-то избежать проблем.

10.8.1 Проблемы на постоянном токе

10.8.1.A Зависание

Очень легко попасть в ловушку, создав схему, имеющую состояние, не связанное с нормальной последовательностью действий. Допустим, есть некая схема с несколькими триггерами, которые переключаются между набором состояний. И в один прекрасный день она намертво зависает, заставляя выключить и вновь включить питание. Проблемы вызваны «зависанием» - попаданием в состояние из которого нет выхода. Оказаться там можно, например, из-за помехи по питанию. Очень важно находить такие состояния на этапе проектирования [* n триггеров имеют до 2ⁿ различных состояний ] и строить связи таким образом, чтобы схема могла восстанавливаться автоматически. Или как минимум организовывать в устройстве сигнал сброса, который будет формироваться автоматически при запуске или вручную и приводить систему в правильное состояние. Иногда такая модификация делается даже без дополнительных компонентов, см. упражнение 10.23 .

10.8.1.B Начальная инициализация

Близко к первой проблеме примыкает вопрос состояния системы при запуске. Наличие какого-то сигнала, приводящего систему в исходное состояние - полезная штука. В его отсутствие устройство может вести себя странно в первый момент после включения [* это может случиться даже с аналоговыми схемами, см. §9.10.1.A ] . Одним из решений может быть задержка на RC цепочке с триггером Шмитта ( рис. 10.94 ). К сожалению, эта схема требует дополнительных компонентов и не реагирует на кратковременную просадку питания.

Более правильный путь - использовать супервизор питания. Выпускаются они в самых разных вариантах. Самые простые - 3-выводные модели выдают импульс при включении. К таким ИМС относится MC34164, которая, помимо поверхностных корпусов, выпускается в транзисторном TO-92. MC34164 держит открытый коллектор на выходе в НИЗКОМ состоянии, покуда напряжение питания не превысит 4.3 V ( или 2.7 V для MC34164-3 ). Имеется внутренний источник опорного напряжения и гистерезис. Больше возможностей предлагает серия MAX700 фирмы MAXIM. Она упаковывается в 8-ногий корпус и имеет комплементарные выводы сброса с активными подтяжками. Внешним резистором можно выбрать пороговый уровень из диапазона от 1.2 до 4.7 V . Также подкручивается гистерезис. Есть вход ручного сброса ( рис. 10.95 ). ИМС MAX823 ( или ADM823 ) имеют в дополнение к сбросу сторожевой таймер . Его требуется регулярно перезапускать, в противном случае он выдаст сигнал сброса. Это удобный способ обнаружения программных сбоев и возврата системы в исходное состояние. В современных микроконтроллерах сторожевой таймер добавляют в набор периферии на кристалл.



==756

Многие из этих микросхем выпускаются несколькими производителями и различаются только названиями. Например, MAX809 может иметь префикс APX, ADM, CAT, LM, STM и TCM, а благодаря такой конкуренции стоит почти ничего. Только не забудьте заглянуть в справочные данные перед заменой. Скажем, MCP809 имеет иную разводку, которая совпадает с STM1001. Ошибка в документации? Возможно. Но в любом случае, вы предупреждены.

Продвинутые модели вроде ADM690 позволяют переключать питание на резервную батарею, имеют дополнительный компаратор и логику управления. См. табл. 10.6 с параметрами самых популярных супервизоров.

10.8.2 Проблемы при переключении

10.8.2.A Логические гонки

Здесь таится масса тонких ловушек. Классические логические гонки показаны в схеме синхронизатора импульсов в §10.4.4 . Основное правило: разрешая логический вентиль сигналом с триггера ( или любого иного тактируемого устройства ) надо проверять схему на ситуацию разрешения с мгновенным последующим запрещением через время распространения сигнала в вентиле. Аналогично, убедитесь, что сигнал на входе данных триггера не подгоняется по задержке относительно тактового сигнала ( ещё один плюс синхронных схем ). В общем случае задерживайте тактовый сигнал относительно данных. [* Данные уже должны «устаканиться» к приходу фронта. см. §10.8.2.B ] .

Проглядеть условия для логических гонок очень легко. Классический пример - простой 2-входовой мультиплексор. Если использовать обычную логику Y = S & A | ~ S & B , как на рис. 10.96A , появляется потенциальная проблема. Неприятности возникают, когда на обоих входах «A» и «B» ВЫСОКИЕ уровни, а переключение «S» идёт от ВЫСОКОГО к НИЗКОМУ, т.е. переход идёт от «A» к «B». Задержка в инверторе приводит к запрету нижнего «И» раньше разрешения верхнего, что вызывает кратковременную иголку НИЗКОГО уровня на выходе. Проблема разрешается дополнительным условием A & B ( рис. 10.96B ). Коммерческие ИМС делаются по схеме 10.96B , поэтому опасность возникает только с программируемой логикой ⁸⁵ , для которой описание на HDL задаёт пользователь. Придётся прямо указать, что проводить «оптимизацию» избыточного терма запрещено. Тем самым вы покажете глупой железке, что не лыком шиты и тоже читаете умные книжки.

10.8.2.B Метастабильные состояния

В §10.4.2.D объяснялось, что триггер и вообще любое тактируемое устройство легко сконфузить, если изменить состояние входа данных в течение времени предустановки перед приходом активного фронта. До тех пор, пока триггер может сделать какой-нибудь выбор, всё хорошо. Но смена состояния может случиться в плохой момент - прямо в точке принятия решения, и тогда триггер задумается над ситуацией надолго. Его выход может колебаться возле порогового уровня во много раз дольше обычной задержки распространения ( или выдать какой-либо уровень и передумать позднее, см. рис. 10.60 ).

Проблема не возникает в хорошо спроектированных синхронных схемах, в которых удовлетворены все требования по времени предустановки. Для этого надо брать достаточно быструю логику, чтобы входы триггеров были стабильны за \(t_S\) до очередного фронта. Но в таких схемах возникают проблемы синхронизации при передаче сигналов из другой схемы с иным тактированием. В этом случае нельзя гарантировать, что вход не изменится в течение времени удержания. Можно даже подсчитать, как часто это будет происходить ⁸⁶ . Проблемы метастабильности могут быть причиной странных компьютерных сбоев, но это не точно. Лекарством служит цепочка последовательных синхронизаторов. Иногда можно встретить заявки на «устойчивость к метастабильности», см., например, 5-вольтовую серию «AC(T)».

Table 10.6 Selected Reset/Supervisors Type Pins Package(s) 03 CO Cl) TO 03 -t—¦ ? * TO O ¦o -C o 5 z cd w cd DC o -C TO X cd > -t—> < Supply current (MA) MC34164 3 TO-92, SO-8 2 - - - 12 MAX809 3 SOT-23 7 - - ’810 15 NCP303 5 SOT-23 7 - - ’302 0.5 MAX700 8 SOIC-8 ib - • both 100 ADM811 4 SOT-143 6 - • ’812 5 ADM823 5 SOT-23, SC-70 7 • • ’824 10 Notes: (a) Voltage is specified by a suffix. (b) External adjustment. (c) All have active-LOW output; part numbers listed have active-HIGH output instead; MAX700 has both.



==757

10.8.2.C Фазовый сдвиг фронта

Фазовый сдвиг фронта возникает, когда имеется тактовый сигнал с пологими фронтами, который подаётся на несколько микросхем, сидящих на одной протяжённой тактовой линии ( рис. 10.97 ). В данном случае это 16-битовый регистр, собранный из 8-разрядных сдвиговых регистров ’595. На тактовый вход подаётся сигнал с пологими фронтами. Плавный фронт вызван емкостной нагрузкой на слабом выходе тактового сигнала ( это может быть вывод микроконтроллера ). Проблема в том, что у первого регистра порог переключения может быть ниже, чем у второго ( такая разница имеется всегда и обусловлена допусками при производстве ). Низкий порог приведёт к более раннему сдвигу данных в первом регистре. При этом может быть потерян выходной бит первого регистра. КМОП схемы имеют достаточно большой разброс порогового уровня, что только усложняет ситуацию ( спецификация говорит о разбросе от одной третьей до двух третьих напряжения питания, и она точно отражает действительное положение ). Исправить ситуацию можно, раздавая тактовый сигнал близкорасположенным быстрым буфером с минимальной ёмкостью на выходе. ( Ещё один способ борьбы со сдвигом фазы фронта - добавление задержки на линию данных, связывающую последовательные регистры в цепочке. [* Волнистые проводники на печатных платах видели? Это оно ] . Но такой приём не снимает требования к наличию качественного тактирования ).

В общем случае, любому тактовому входу, срабатывающему по фронту, требуется оказывать должное внимание. Зашумлённые, звенящие тактовые линии обязательно надо чистить буферным элементом, возможно, с гистерезисом на входе, перед подачей на синхронную периферию. Но здесь надо следить за выполнением требований по времени установки/удержания. Очень вероятны проблемы с тактовыми сигналами, приходящими с другой печатной платы или от иного логического семейства. Например, медленная логика «4000B» или «74C» на входе быстрой «HC» или даже «AC», скорее всего, создаст проблемы со сдвигом фронта и неоднократными срабатываниями [* см. §12.1.3.A ] . То же можно сказать о паре «HC» + «LVC» и т.д.

Проблемы со сдвигом фронтов могут возникнуть ( сюрприз! ) даже внутри программируемой логической микросхемы. Скажем, в отличной серии cPLD 9500 отдельные триггеры могут тактироваться или одним из глобальных тактовых сигналов , или от внутренних логических элементов ( такой вариант называется «product terms» ). Но тактовый сигнал от логики, поданный, например, на сдвиговый регистр, может вызвать неправильную работу схемы. Проблема возникает из-за задержек, набегающих при прохождении через несколько триггеров. Работа синхронных схем гарантируется только при тактировании от глобальных линий ⁸⁷ . Эта ловушка не всегда прямо обозначается в справочных данных.

[* Глобальные линии идут через весь кристалл по выделенным каналам, имеющим специальные средства для выравнивания задержек, причём времена таких задержек указываются в справочных данных. Логические сигналы идут другими путями, задержка в которых зависит от сложности логических термов. Этот вопрос всегда стоит на одном из первых мест в разделе «Типичные ошибки» любого учебника по программируемой логике ].

10.8.2.D Укороченные импульсы

В счётчике «по-модулю-n» из §10.6.1 использовались ИМС с синхронной загрузкой ( ’163 ), а не с управлением прямого действия ( как в ’191 ), потому что последним может потребоваться дополнительная задержка, чтобы на выходе не появился укороченный импульс ( т.к. счётчик сбрасывает сам себя ). Те же проблемы есть и у сдвиговых регистров. Укороченные импульсы превратят вашу жизнь в кошмар, вызывая ложные срабатывания или случайный сбои. Здесь при разработке надо использовать данные по задержкам для наихудшего случая.

10.8.2.E Неписанные правила

Полупроводниковая промышленность нащупывала свой путь медленно и постепенно. Начав с RTL в 1960-х, улучшив её до ТТЛ и Шоттки, она перешла, наконец, к современным КМОП сериям ( с краткой хронологией можно познакомиться в §12.1.1 ). Именно отсюда растут ноги в нелогичности разводки корпусов, в отсутствии спецификаций и у различия в функционировании. Пример: вентили в 7400 ( «И-НЕ» ) направлены выходом к выводу земли, а 7401 ( «ИЛИ-НЕ» с открытым коллектором ) к выводу питания. Это порождало столь серьёзные проблемы, что привело к появлению элемента 7403, функционально идентичного 7401, но с разводкой 7400. Такая же проблема возникала с 7490 ( BCD счётчик пульсаций ) с выводами питания по центру корпуса, а не по его противоположным углам. Примечательно, что центральное расположение выводов питания вновь появилось в скоростных КМОП сериях, причиной чему служила меньшая индуктивность такой разводки.



==758

Важным наследием этой анархии в годы становления является «свод» неписанных правил, которым, тем не менее, надо следовать. Например, D-триггер ’74 есть в любой серии. Если не его входы «S» и «R» одновременно подать активные уровни, то оба выхода «Q» и «/Q» перейдут в ВЫСОКОЕ состояние во всех семействах, кроме «74C», где оба выхода будут НИЗКИМИ. Этот факт не относится прямо к упомянутым неписанным правилам, т.к., если внимательно читать справочные данные, можно найти соответствующее описание. Техническое название для этого явления «особенность поведения». Ещё одна любимая авторами особенность у ’96 - 5-битного сдвигового регистра. В наборе входов управления есть вход установки, но нет сброса!

Настоящим неписанным правилом является очень важное время снятия сигналов. Это время между освобождением входов прямого действия и приходом следующего активного фронта, которое гарантированно позволит корректное переключение. Это время вообще не указывалось производителями до начала 80-х ( притом, что разработчики всегда хотели его знать ). Первое упоминание появилось в справочных данных на Шоттки и КМОП микросхемы. Там, где такое время не указывается, можно пользоваться эмпирическим правилом: время снятия можно считать равным времени предустановки ⁸⁸ .

10.8.3 Особенности, определяемые технологией изготовления

В этом параграфе перечисляются неочевидные сложности и необычное поведение.

10.8.3.A Неочевидные сложности

ТТЛ микросхемы

Надо напомнить, что ТТЛ входы в НИЗКОМ состоянии являются источниками вытекающего тока ( 0.25 mA для «LS» и 0.5 mA для «F» ). Данное обстоятельство осложняет получение задержек на RC цепочках и т.п. приёмы, потому что источник сигнала для ТТЛ входа должен иметь низкий импеданс. По этой же причине надо проявлять повышенное внимание при подключении линейных схем к ТТЛ входам.

Порог переключения ТТЛ входов и семейств их имитирующих ( например, «HCT» и «ACT» ) расположен слишком близко к земле, уменьшая помехоустойчивость ( тема развивается в Части 12 ). Высокая рабочая частота таких схем делает их чувствительными к иголкам в цепях земли. Сами эти иголки возникают из-за слишком короткого времени переключения выходов, что только осложняет ситуацию.

У биполярных ТТЛ серий высокие требования к источникам питания ( +5 V±5% при довольно высокой потребляемой мощности ). Броски и иголки по линии питания, вызванные активными выходными каскадами, требуют щедрого использования развязочных конденсаторов ( в идеале - отдельный конденсатор 0.1 μF на каждую ИМС, см. рис. 10.98 ).



==759

КМОП

КМОП входы традиционно чувствительны к воздействию статических разрядов. Падёж таких микросхем увеличивается в зимнее время. Современные серии с поликремневыми затворами и цепями защиты стали гораздо устойчивее к повреждению, чем старые ИМС с металлическим затвором. КМОП входы имеют заметный разброс порога переключения, вызывающий сдвиг фронтов тактовых сигналов ( §10.8.2.C ). На выходах можно увидеть множественные переключения, когда на вход подаётся сигнал со слишком пологим фронтом [* см. §12.1.3.A ] . Все неиспользуемые КМОП входы в обязательном порядке необходимо подключать к корректному логическому уровню. То же относится и ко всем входам неиспользуемых логических элементов.

Интересной специфической особенностью КМОП являются выбросы в цепи земли . Быстрые КМОП выходы, нагруженные на большую ёмкость, вызывают сильные переходные токи в земляной шине, приводящие к колебаниям потенциала земляного вывода микросхемы и вместе с ним к колебаниям НИЗКОГО уровня на выходах, влияющие на непричастных соседей по кристаллу. На рис. 10.99 показано, что происходит. Обратите внимание на масштабы явления: выбросы от 1 до 2V не являются чем-то необычным! Если учесть, что длительность фронта 3 ns , то перепад 5V на нагрузке 50 pF требует \(I=C(dV/dt)\) =83 mA тока, а 8-битный буфер может работать на 8 таких нагрузок одновременно ( общий ток 2/3A ! ) такая картина не должна удивлять. Когда первые микросхемы AC(T) только появились, их начали упаковывать в корпуса DIP с традиционной угловой разводкой питания. Проблема выбросов по земле оказалась настолько острой, что её оказалось проще обойти. В итоге появилась новая серия с выводами питания по центру корпуса для снижения индуктивности. Кроме того, производители озаботились снижением скорости нарастания при переключении ( иногда называемой скоростью фронта ), а значит, и снижением тока перезарядки емкостей \(C(dV/dt)\). В семействах «AC(T)Q» ( “Q” - “quiet” ) проблема по большей части преодолена при очень небольшом снижении быстродействия.

Затем был предложен переход на корпуса для поверхностного монтажа ( с меньшей индуктивностью выводов ) и многослойные печатные платы с отдельными слоями земли и питания и развязочные конденсаторы в SMT корпусах. Для современных микросхем теперь указывают уровень создаваемого шума ⁸⁹ . Большие интегральные схемы с большим количеством выводов иногда имеют десятки выводов земли ⁹⁰ . Тем не менее, проблема «выбросов по земле» не побеждена, и разработчики должны её учитывать и проводить расчёты, стараясь снизить индуктивность шины земли насколько возможно ( рис. 10.98 ). Правильнее всего использовать печатные платы с отдельными слоями земли и питания и активнее ставить развязочные конденсаторы. Самое лучшее держаться от быстрых логических микросхем подальше, если нет серьёзных требований к скорости.

10.8.3.B Странное поведение

Биполярная логика

ТТЛ не склонна к асоциальному поведению ⁹¹ . Тем не менее, некоторые биполярные одновибраторы могут перезапускаться от помех по питанию и вообще слишком беспокойные. Схема, работающая с «LS» ТТЛ, может сбоить при замене микросхемы на «AS» ТТЛ. Последняя работает быстрее, т.е. имеет более резкие фронты и, соответственно, большие токи и звон в цепи земли ( «74F» в этом отношении лучше ). Большая часть проблем ТТЛ вызывается помехами.

ЭСЛ имеет очень малые времена переключения и любые связи длиной более нескольких сантиметров должны рассматриваться как линии передачи ( см. Приложение _H , §X1.1.4.C [* и §12.10 ] ).

КМОП

КМОП способны свести с ума кого угодно. Болтающийся в воздухе КМОП вход может вызывать в схеме случайные сбои. Щуп осциллографа, подключённый к нужной точке, показывает правильный уровень. Несколько минут устройство работает правильно, а затем вновь сбивается! Щуп осциллографа разрядил ёмкость затвора входного транзистора, и обратная зарядка, во время которой вход смещается к пороговому уровню, заняла какое-то время.

Ещё одним необычным явлением является «тиристорное защёлкивание» , вызванное кратковременным выходом напряжения на входе ( или выходе ) за уровни питания. Токовый импульс ( 50 mA или около того ) через защитные диоды включает пару паразитных встречно включённых транзисторов, образующихся на кристалле в качестве побочного элемента в технологии КМОП. Эта структура образует низкоомную связь между \(V_{DD}\) и землёй. Микросхема сильно нагревается, и требуется как можно быстрее снять питание, чтобы вернуть её в рабочее состояние. Если тиристорное защёлкивание продолжится дольше нескольких секунд, микросхему придётся заменить. Для некоторых новых КМОП семейств заявляется отсутствие тиристорного защёлкивания, даже если входы уйдут на 5V за уровни питания , и корректная работа для входных сигналов, уходящих на 1.5 V за уровни питания ⁹² .



==760

У КМОП микросхем бывает странный трудноуловимый отказ. Один из выходных транзисторов может быть в состоянии “fail open” , создавая чувствительное к сочетанию сигналов ошибочное состояние. Вход может начать потреблять или отдавать ток, а иногда вся микросхема начинает отбирать избыточную мощность. Резистор 1 Ω последовательно с выводом питания каждой микросхемы с развязкой со стороны вывода питания облегчает обнаружение аварийной микросхемы по избыточному потреблению. Для мощных драйверов или микросхем, тянущих много входов, можно ставить шунт 0.1 Ω . В большинстве случаев беспокоиться о таких вариантах не нужно, но для батарейного устройства, где микроамперы имеют значение, эта предосторожность может помочь.

Помимо различий порогового напряжения у разных микросхем, один кристалл может иметь разный уровень переключения на одном входе для разных выполняемых чипом функций. Например, вход «RESET» в CD4013 переводит вывод «/Q» в ВЫСОКОЕ состояние раньше, чем «Q» в НИЗКОЕ. Это означает, что снимать импульс сброса, опираясь на состояние «/Q» нельзя, потому что получившийся укороченный импульс может не сбросить триггер.

Висящие в воздухе входы - очень неприятная штука, даже если они относятся к неиспользуемому вентилю. Болтающийся вход смещается к середине питания, открывая p- и n-канальный транзистор одновременно. Появляется ток «класса-A», который превращается в ток покоя микросхемы ( у КМОП нулевой ток покоя, не забыли? ), а иногда просто выводит её из строя. Свободный вход может вызвать генерацию. Что происходит, видно на рис. 10.100 , где показаны результаты независимого измерения принимаемого и отдаваемого тока у одной секции 74LVC04 при +3.3 V . Если потенциал на входе оказывается ближе 0.7 V к любой линии питания, соответствующий МОП транзистор полностью закрывается. Но в промежутке между этими точками есть какая-то сквозная проводимость. На рисунке показана пиковая величина 20 mA при \(V_{IN}\) ≈ 1.4 V или 28 mW на один инвертор. Если в таком положении будут все шесть вентилей, то корпус начнёт рассеивать ∼200 mW . При питании +5V нагрев может разрушить кристалл.

Максимальный сквозной ток жёстко связан с напряжением питания, что показывает рис. 10.101 . При очень низком напряжении просто нет уровня, при котором оба транзистора одновременно будут в проводящем состоянии.

И, наконец, самая странная особенность. Если забыть подсоединить вывод питания КМОП микросхемы, то она будет работать! Питание начнёт поступать по одному из логических входов через защитный диод с вывода на шину питания. Такая ситуация может сохраняться довольно долго, пока в один прекрасный момент все логические входы не перейдут в НИЗКОЕ состояние. Микросхема лишится питания и забудет своё состояние. Ситуация плохая в любом случае. Выходные каскады не получают нужной мощности и не могут тянуть штатную нагрузку. Проблема в том, что проявляться такая неисправность будет случайно и при отладке можно сделать по схеме не один круг, прежде чем станет понятно, в чём дело.



==760