12.9 Цифровые сигналы и длинные линии



==856

Если попытаться передать цифровые сигналы между двумя устройствами по кабелю, можно столкнуться с набором довольно необычных проблем. Явления, типа емкостной нагрузки, наводок от синфазной помехи и эффектов «длинной линии» ( отражения от электрических неоднородностей, см. Приложение _H ), становятся очень заметными, заставляя использовать особые приёмы схемотехники и специальные компоненты, чтобы добиться надёжной передачи сигналов. Некоторые из описанных проблем могут осложнить жизнь даже в одноплатном проекте, поэтому общее представление о методах передачи цифровых сигналов - вещь небесполезная. Рассмотрение начнётся с проблем распространения сигнала по плате, затем продолжится рассмотрением сложностей в межплатном обмене, а закончится явлениями в витых парах и коаксиальных кабелях.

12.9.1 Внутриплатная передача сигналов

12.9.1.A Токовые выбросы в выходных каскадах

Симметричный выход логических микросхем выполнен на паре транзисторов, переключающих вывод между землёй и шиной питания V+ . Ранее отмечалось ( §3.4.4.B и §10.8.3.B ), что когда выход меняет своё состояние, есть небольшой интервал, в котором оба транзистора находятся в проводящем состоянии. В этот момент импульс «сквозного тока» течёт из шины V+ в землю, создавая в шине V+ отрицательный бросок напряжения, а по земле - положительный. Ситуацию иллюстрирует рис. 12.100 . Предположим, что \(IC_1\) переключает выход, вызывая протекание тока из +5V в землю. Для серий 74F’ и 74AC(T)’ его величина может достигать 100 mA . Ток в паре с индуктивностями проводников земли и питания создаёт в линиях короткие броски напряжения относительно потенциала контрольной точки. Броски могут иметь длительность всего 5...20 ns , но успевают причинить массу неприятностей. Предположим, что \(IC_2\) - случайный свидетель, находящийся неподалёку от «нарушителя конвенций», имеет на выходе установившееся НИЗКОЕ состояние и подключается к \(IC_3\) , расположенной на некотором расстоянии. Положительный выброс на выводе земли \(IC_2\) появляется на её выходной линии, и, если длительность и уровень позволяют, воспринимается \(IC_3\) в качестве короткого импульса ВЫСОКОГО уровня. Таким образом, на выходе \(IC_3\) , расположенной на некотором расстоянии от возмутителя спокойствия \(IC_1\) появляется полноценный импульс, готовый нарушить корректную работу всей остальной схемы. Для переключения или сброса триггера не так много надо, и подобного рода иголки по питанию вполне способны выполнить означенную работу.

Лучшим лекарством от такого рода болезней будут

1. мощные шины питания или, что лучше, сплошной слой земли на одной из сторон 2-сторонней печатной платы или один из внутренних слоёв в многослойной, и
2. щедро распределённые по плате конденсаторы.

Большая ширина земляных проводников уменьшает индуктивные выбросы ( за счёт снижения индуктивности и сопротивления ), а частая сетка конденсаторов между V+ и землёй сокращает путь помехи до низкоимпедансной точки. Конденсаторы выступают как источники напряжения, потенциал которых меняется медленнее, чем фронт помехи. Лучше всего использовать керамические конденсаторы 0.1 μF рядом с каждой ИМС, хотя одного конденсатора на две микросхемы вполне достаточно. Кроме того, полезно поставить несколько больших электролитических конденсаторов ( ∼10 μF или больше ), «размазав» их по плате. Электролиты служат накопителями энергии и подавителями резонансов ⁵⁴ . Развязочные конденсаторы между шинами питания и земли крайне важны для любого электронного устройства и цифрового, и аналогового. Они удерживают низкий импеданс линий питания, в том числе и на высоких частотах, и не позволяют сигналам гулять по схеме, распространяясь через выводы питания. Отсутствие развязки по питанию является источником некорректностей в работе схемы, генерации и головной боли. Оставлять схему без развязочных конденсаторов нельзя! [* Здесь следует заметить, что на высоких частотах - гигагерцы и выше - развязочные конденсаторы перестают работать. ALTERA проводила эксперименты с керамикой разных размеров и обнаружила, что на частотах выше гигагерца не работает керамика даже 0201, не говоря об электролитах. Их вывод: работают только сплошные слои земли и питания, причём расположенные как можно ближе друг к другу ( т.е. в соседних слоях ). Возникающая в итоге распределённая ёмкость работает хорошо. См. ##Altera AN315 ]



==857

12.9.1.B Выбросы, обусловленные ёмкостью нагрузки

Источник развязан, а счастья нет: проблемы не закончились ( что уже отмечалось в §10.8.3.A ). Рис. 12.101 объясняет, почему это происходит. Цифровой выход видит распределённую ёмкость вкупе со входной ёмкостью приёмника ( типичные цифры - 5...10 pF ), как часть общей нагрузки. Чтобы обеспечить быструю смену состояния, выход должен обеспечить достаточный ток для такого потребителя, а именно \(I=C( dV/dt )\) . Пусть, например, 74LVCxx с питанием +3.3 V работает на нагрузку 25 pF ( 3...4 логических входа и короткие проводники до них ). Для типичного времени фронта 2 ns ток при переключении составит 40 mA . Этот ток замыкается через землю ( при перепаде ВЫСОКИЙ-НИЗКИЙ ) или через +3.3 V ( перепад НИЗКИЙ-ВЫСОКИЙ ) и порождает те самые иголки на приёмной стороне, о которых тут уже говорилось. А каков эффект от таких токовых бросков? Индуктивность печатного проводника 5 nH/cm . На дюйме земляного провода, по которому проскакивает ток переключения логического выхода, возникнет выброс амплитудой \( V=L( dI/dt )\) =0.2 V . Если вдруг речь идёт о восьмиканальном буфере со случайным переключением половины выводов, выброс подойдёт к 1V ( см. рис. 10.99 ). Аналогичные ( хотя и меньшие по величине ) выбросы возникают и рядом с приёмником. Ток возвращается в землю через его входную ёмкость.

В синхронных системах, где большое число ИМС переключается одновременно, величина выбросов может достигнуть такой величины, что схема перестанет работать. Такое положение особенно актуально для больших печатных плат с длинными проводниками. Схема может сбиваться время от времени, когда большая группа выходов решит переключиться из ВЫСОКОГО состояния в НИЗКОЕ, порождая бросок тока в земляной шине. Подобного рода чувствительность к наведённым шумовым ошибкам является достаточным основанием для интенсивного тестирования памяти в микропроцессорных системах, где 16 или 32 линии данных и 32 линии адреса постоянно скачут в самых разных сочетаниях.

Самым лучшим решением будет использование слоя земли в многослойной плате или хотя бы перпендикулярное расположение шин земли на противоположных сторонах 2-сторонней платы. Множественное использование развязочных конденсаторов является обязательным. По результатам исследований указанная проблема существенным образом ослаблена за счёт следующих мероприятий, предпринятых электронной промышленностью.

1. Использования корпусов для поверхностного монтажа с низкоиндуктивными выводами.
2. Использования большего числа выводов земли в сложных больших ИМС ⁵⁵ .
3. Практически повсеместным использованием многослойных печатных плат со специально выделенными слоями земли и питания, а также интенсивным использованием конденсаторов для поверхностного монтажа.
4. Использование логики с контролируемой скоростью переключения ( 74ACQ’, 74ACTQ’ и GTL’ ⁵⁶ ).
5. Разводкой питания по центру корпуса, когда приходится использовать быструю логику в неудобных условиях ( 2-сторонние платы, выводной монтаж и т.п. ).

Проблемы с токовыми наводками диктуют универсальное правило: не используйте быстрые логические семейства там, где это не требуется ⁵⁷ . Именно по этой причине авторы используют 74HC(T)’, а не 74AC(T)’ в обычных устройствах в учебном курсе, где студенты собирают схемы на платах для «беспаечного монтажа».



==858

12.9.2 Межплатные соединения

Когда сигналы переходят с платы на плату, предпосылки для возможных проблем множатся как снежный ком. Ёмкость сигнальных линий растёт, земляные потенциалы подводятся всё более длинными проводами, на их пути появляются контакты и т.д. Выбросы по цепям земли становятся больше, а их воздействие более деструктивным. Лучше всего избегать по возможности передачи большого числа тактируемых сигналов, расходящихся между несколькими приёмниками за пределы платы, и следить за надёжностью земляных соединений в каждом отводе. Для быстрых сигналов ( характерные времена - наносекунды и менее ) все пути распространения должны рассматриваться как линии передачи ( см. §12.10.1 и Приложение _H ), которые могут выполняться несимметричной линией ( коаксиальным кабелем ) или дифференциальной линией ( витой парой ). Эта тема развивается в §12.10 .

Если тактируемый сигнал передаётся между платами, необходимо использовать буферные элементы ( для несимметричных линий ) или дифференциальные приёмники ( для симметричных, типа LVDS ) на входе каждой платы. В некоторых случаях лучше всего будет использовать специализированные драйверы и приёмники, о чём ещё будет речь дальше. В любом случае, критические узлы следует размещать на одной плате, т.к. это даёт возможность следить за индуктивностью шин питания и удерживать паразитную ёмкость на минимуме. Быстрые сигналы со временами фронтов 1 ns и менее и тактовые сигналы, которые заходят в каждый узел на плате часто разводят волновыми каналами ( §X1.1.4.C ) ⁵⁸ . Они могут принимать форму несимметричных проводников над слоем земли ( микрополосковые ) или между двумя слоями земли ( полосковые ), либо симметричных с параллельными проводниками в одном слое или с вертикальным расположением дорожек в соседних слоях. Такие линии должны нагружаться сопротивлением, равным характеристическому импедансу [* волновому сопротивлению ] линии. Обычные значения 50 Ω ( несимметричная ) и 100 Ω дифференциальная линия. Согласование может выполняться на передающем конце, на приёмном или на обоих сразу. Проблемы, возникающие при передаче быстрых сигналов между несколькими платами, нельзя недооценивать. Такое техническое решение может поставить под вопрос весь проект целиком!



==858