Импульсные помехи в интегральных микросхемах

Лекция № 12
ИМПУЛЬСНЫЕ ПОМЕХИ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
Введение
Типовые величины задержек логических элементов современных сверхскоростных ИМС лежат в диапазоне 30...100 пс, а рекордные величины для
экспериментальных образцов имеют значения менее 2 пс. Это позволяет достигнуть скорости обработки сигналов свыше 10 Гбит/с. Однако, как показали теоретические и экспериментальные исследования, скорость передачи гигабитовых информационных потоков между кристаллами ИМС ограничивается снижением помехоустойчивости устройства из-за импульсных помех,
генерируемых ИМС, и искажений сигналов в элементах конструкции вне
кристалла ИМС. Поэтому, повышение быстродействия цифровых устройств
обеспечивается не столько повышением быстродействия кристаллов, сколько
совершенствованием технологии и методологии конструирования ИМС. Развитие технологии конструирования идет в направлении снижения значений
реактивных параметров элементов конструкции и достигается путем безкорпусного монтажа кристаллов на платы, созданием сверхминиатюрных кристаллоносителей, разработкой оптических линий связи. Однако, развитие
технологии монтажа ИМС не исключает необходимости моделирования процессов генерации помех.
Обеспечение помехоустойчивости достигается только путем использования комплекса мер на этапах проектирования, контроля и применения ИМС.
Импульсные помехи и искажения сигналов в интегральных микросхемах
Первый вид помех - это искажение формы выходных сигналов ИМС изза возбуждения колебаний в паразитном контуре, образованном элементами
конструкции корпуса. На рис. 12.1. показана форма выходных сигналов ИМС
на низкой и высокой частотах. Изломы на фронтах соответствуют наложению
на полезный сигнал паразитных колебаний. Причем излом на срезе импульса
обычно больше, так как выходной транзистор ИМС в этот момент закрыт и
добротность паразитного контура выше. При повышении рабочей частоты
излом на срезе переходит во фронт следующего импульса и происходит повышение напряжения низкого уровня сигнала за пределы норм технических
условий ( “отрыв нуля” ).
Второй вид искажений формы сигнала связан с разницей задержек для
фронта и среза. При последовательном включении нескольких одинаковых
микросхем длительность импульса может измениться за пределы норм технических условий и импульс вообще исчезнет, рис. 12.2.
Третий вид помех связан с возбуждением импульсных помех в цепях питания ИМС при переключении мощных входных каскадов. влияние импульсных помех в цепях питания имеет резонансный характер и проявляется на тех
частотах, при которых фронты входных и выходных импульсов совпадают.
Нарушение функционирования проявляется в виде провалов на частотной
характеристике ИМС, рис. 12.3. Импульсные помехи в цепях питания одинаково действуют на все внутренние логические элементы как изменение
напряжения питания. При достаточном запасе по напряжению питания внутренние элементы работают без сбоев, так как логические уровни вентилей
изменяются одновременно. Во входных каскадах сигналы поступают от других микросхем и не связаны с местными помехами. Помехи в цепях питания
изменяют зону переключения входных каскадов и приводит к сбоям в их работе. Схема образования резонансной помехи показана на рис. 12.4.
Четвертый вид помехи связан с наличием электромагнитной связи между
проводниками и в частности между соседними выводами ИМС. При длительности фронта ( среза ) сигнала порядка 0.1 нс амплитуда наведенного
импульса достигает 40 % от амплитуды возбуждающего сигнала.
Средства и методы повышения помехоустойчивости
А) На этапе составления требований к сигналам, линиям связи и конструкции ИМС.
До начала проектирования должны быть предусмотрены меры по повышению помехоустойчивости:
- длительности фронта и среза импульса должны быть максимально
большими для заданной частоты работы ИМС;
- задержки сигнала для фронта и среза должны быть по возможности
равны;
- для низкочастотных сигналов следует увеличить нормы на длительности фронтов, если это возможно;
- для передачи сигналов использовать согласованные экранированные
линии связи с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом;
- для высокочастотных ИМС не следует применять пластмассовых корпусов. Предпочтение отдается планарным металлокерамическим корпусам с металлизированными и заземленными основанием и крышкой;
- не следует располагать рядом входы и выходы ИМС из-за опасности
перекрестных помех. Рекомендуется наиболее высокочастотные входы
отделять от других сигнальных цепей выводами питания;
- для уменьшения индуктивности цепей питания надо подключать по несколько выводов в каждую цепь;
- если есть возможность, то в конструкции ИМС следует предусмотреть
внутри корпуса блокировочные конденсаторы между цепями питания и
общей шиной;
- следует предусмотреть отдельную цепь питания для мощных выходных
транзисторов;
- рекомендуется использовать дополнительный вывод ИМС для стабилизации точки переключения входных каскадов. Это может быть общий
вывод питания источников опорных напряжений и входных каскадов или
вывод для опорного напряжения.
Б) На этапе проектирования требования к сигналам и конструкции ИМС
должны быть реализованы и подтверждены расчетами.
- не следует стремиться к достижению максимального быстродействия
входных и выходных каскадов. Быстродействующие выходные каскады
генерируют более мощные помехи, а быстродействующие входные каскады более чувствительны к помехам;
- для снижения импеданса входных цепей возможно использование проходного тракта из двух соседних выводов;
- для снижения импеданса выходных цепей возможно использование дополнительных внутренних нагрузочных элементов;
- между цепями питания схемы и мощных выходных транзисторов следует включить шунтирующий резистор для обеспечения гальванической
связи. Номинал резистора определяется в процессе моделирования;
- моделирование работы ИМС на высоких частотах проводится с учетом
реактивных параметров выводов корпуса. Электрическая модель вывода
показана на рис.
!!!!!. При моделировании исследуется распростране-
ние сигнала между микросхемами на максимальной частоте и возбуждение резонансных помех в ИМС, рис.
!!!!!!!;
- на основе моделирования производится выбор корпуса и распределение
его выводов по сигнальным и питающим цепям. После выбора корпуса и
распределения его выводов моделирование распространения сигналов
должно быть выполнено повторно и резонансные частоты определены
более точно.
В) На этапе контроля должны быть выявлены и отбракованы все схемы с
низкой помехоустойчивостью. Специально для этого в систему контроля
вводится новый вид - динамический контроль функционирования. Контроль
проводится в нескольких режимах.
- функционирование на максимальной частоте;
- реакция на редкие одиночные импульсы минимальной длительности;
- функционирование на резонансных частотах.
При обычном динамическом контроле ( при измерении задержек и фронтов ) отбраковываются схемы не соответствующие нормам на параметры выходных сигналов.
Г) На этапе применения ИМС следует выполнять все рекомендации изложенные в технических условиях и руководящих материалах по применению. Как правило, рекомендованы следующие средства повышения помехоустойчивости:
- при работе выхода ИМС на максимальной частоте не следует подключать к линии связи число входов выше рекомендованного. На частоте
1000 Мгц и 50-омной линии связи подключают не более 4-х входов;
- цепи питания схемы и выходных транзисторов выполняют раздельно и
объединяют их лишь вне платы. Следует стремиться к уменьшению индуктивности цепей питания. Общая шина экранов и линий связи должна
занимать все свободное место платы. В многослойных платах для общей
шины выделяется отдельный слой. Общие шины экранов и питания гальванически надо соединить на плате через фильтрующую индуктивность;
- если микросхема имеет несколько выводов для подключения к одной
цепи питания, то следует подключить все выводы. Общий вывод питания
для источников опорных напряжений ИМС должен подключаться к общей шине экранов и линий связи;
- для снижения импульсных помех в цепях питания необходимо включить в непосредственной близости от корпуса ИМС малоиндуктивные
блокировочные конденсаторы между каждой цепью питания и общей
шиной питания;
- если выход микросхемы не используется, его не следует оставлять оборванным, а рекомендуется подключить к нему резистивную нагрузку в
23 раза больше номинальной;