Л е к ц

Лекция № 2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ.
Линии связи.
Для подключения микросхем используются проводные линии связи. Параметры линии связи: индуктивность - L, емкость - C, сопротивление - R, волновое сопротивление - Z =
 äÁ 
L
, затухание сигнала - V 
 , скорость расC
ì 
пространения сигнала - V, дисперсия скорости - D. Электрический сигнал передается по двум проводникам: общему и сигнальному.
Цифровые ИМС работают с импульсными электрическими сигналами. В
соответствии с правилами преобразования Фурье импульсный сигнал можно
представить как суперпозицию синусоидальных сигналов или как некий волновой пакет. Линия связи работает как фильтр низких частот и как линия задержки. В электротехнике принято считать, что форма сигнала передается
удовлетворительно, если без значительных искажений передаются минимум
три гармоники разложения сигнала в ряд Фурье.
1
1
1
; F2 
; F3 
T
2T
4T
Полоса пропускания фильтра, образованного линией связи, должна быть
F1 
больше F3. Скорость распространения сигнала в линии связи определяется
скоростью распространения электромагнитных волн в окружающей среде.
V 
C

,
где C - скорость света в вакууме,  - относительная диэлектрическая проницаемость.
V
T
t
рис. 2.1.
Пример : Сигналы распространяются по проводникам на керамической
плате из Al2O3 (  Al 2O3  11 ).
V 
C
 ñì 
 9

11
 í ñ å ê
Если длина проводника меньше длины волны третьей гармоники, то проводник можно рассматривать как сосредоточенную емкость. При размере
платы 10 см длина проводников достигает 15 см. Импульсные сигналы с периодом более 5 нс на такой плате будут распространяться без существенных
и ск а ж е н и й .
Реакции длинной линии на импульсный сигнал.
E
RИСТ
E
V
Z
T 
2
V
V 
EZ
Z R
Если длина проводника больше длины волны третьей гармоники, то проводник следует рассматривать как распределенную длинную линию. Характеристикой длинной линии является волновое сопротивление.
С использованием согласованных линий связи можно передавать сигналы на десятки метров с частотами до 100 Мгц. Проводная согласованная ли-
ния - это коаксиальный кабель. Линия связи на плате - экранированная полосковая линия. Для согласованных линий связи используются два стандарта :
75 Ом - для радиотехнических устройств ;
50 Ом - для цифровых устройств и измерительной техники.
Обозначение согласованной линии связи на электрической схеме :
Расстояние для передачи импульсного сигнала по согласованной линии
связи ограничено затуханием сигнала и его дисперсией. Затухание сигнала
связано с активным сопротивлением проводников и с потерями энергии в
изолирующем диэлектрике. Затухание возрастает с увеличением частоты. Дисперсия сигнала связана с разной скоростью распространения гармоник импульсного сигнала, так как величина
 и, соответственно, скорость электро-
магнитной волны в среде зависят от частоты. При затухании сигнала в длинной линии и искажении его формы ( дисперсия ) применяются регенераторы.
Регенераторы - это обычные логические элементы, восстанавливающие амплитуду и форму импульса за счет усилительных и ограничительных свойств
передаточной характеристики.
Классификация цифровых сигналов.
Совместная работа цифровых микросхем возможна при совпадении основных параметров сигналов, и в первую очередь статических параметров.
Для определения параметров сигналов необходимо рассмотреть передаточную характеристику логического элемента.
VВЫХ
рис. 2.3.
V0H —выходное напряжение высокого уровня;
V0L — выходное напряжение низкого уровня;
VT — напряжение переключения;
VTH — пороговое напряжение высокого уровня в точке единичного усиления;
VTL — пороговое напряжение низкого уровня в точке единичного усилен и я;
МH и МL — помехоустойчивость высокого и низкого уровней.
Величины VTH и VTL характеризуют свойства входных каскадов логических элементов регистрировать состояние логического сигнала в линиях связи.
Величины V0H , V0L - характеризуют свойства выходных формирователей
ИМС возбуждать сигнал в линиях связи.
Величины МH и МL характеризуют устойчивость всей системы к помехам. МH и МL должны быть больше нуля при любых допустимых изменениях температуры и напряжения питания ИМС .
По характеру управляющих сигналов и используемых линий связи все
цифровые ИМС можно разделить на 2 класса:
— помехоустойчивые ИМС с амплитудой сигнала более 2В, работающие на несогласованные линии связи (ТТЛ и КМОП). Рабочая частота
этих ИМС до 60 МГц.
— быстродействующие ИМС с амплитудой сигнала 0,6-0,8 В, работающие на согласованные экранированные линии связи с волновым сопротивлением 50 Ом. (Арсенид галлия, ЭСЛ). Рабочая частота ИМС достигла 3
ГГц для схем на арсениде галлия и 1 ГГц для ЭСЛ.
Статические параметры сигналов цифровых ИМС приведены в таблице.
Магистральные линии связи и схемы управления магистралями.
При проектировании цифровых устройств на одной плате объединение
выходов ИМС одной линией связи в общем случае не разрешается. В специальных вариантах ИМС возможно объединение выходов одним проводом,
причем, логика работы устройства должна предусматривать поочередное
подключение выходов к линии связи и перевод неработающего выхода в состояние с высоким сопротивлением. Если требуется передать сигнал за пределы платы или всего устройства, то используются магистральные линии связи. Для сокращения числа соединительных проводов магистрали используются для двунаправленной передачи информации или объединяют несколько
блоков. Объединение выходов становится неизбежным.
Для КМОП и ТТЛ схем магистральные связи реализуются в виде пары
скрученных проводов или в виде плоского кабеля с чередованием сигнальных линий и заземленных проводов. Волновое сопротивление скрученной пары близко к 180 Ом. Схема подключения ИМС к ТТЛ магистрали показана на
рисунке (рис. 2.4).
+5 V
+5 V
300 Oм
300 Oм
450 Oм
450 Oм
ИМС
ИМС
рис. 2.4.
На обоих концах магистральной линии связи стоят резистивные делители с диференциальным сопротивлением 180 Ом. Резисторные делители обеспечивают на линии +3.0 В.(Для КМОП — 4 В.)
Выходы ТТЛ и КМОП ИМС, предназначенные для управления магистралями, отличаются от обычных выходов.
При объединении выходов на линии связи реализуется проводная функция “И”. Втекающий ток для магистрального ТТЛ выхода должен быть не менее 30 мА.
ТТЛ
КМОП
Вых.
Вых.
Открытый сток
Открытый коллектор
рис. 2.5.
Для ЭСЛ схем и ИМС на GaAs магистральные связи реализуются в виде 50 - омного коаксиального кабеля. Согласующие нагрузки подключаются
на обоих концах кабеля.
50 Ом
50 Ом
ИМС
ИМС
При объединении выходов на линии связи реализуется проводная функция “ИЛИ”.
Для ЭСЛ — нагрузки подключаются к источнику питания - 2 В, а для арсенид-галиевых ИМС — к общей шине. Необходимость размещать на монтажной плате кроме микросхем еще и согласующие резисторы является серьезным недостатком быстродействующих ИМС. Согласующие резисторы реализуются интегрально на монтажной плате с использованием толстопленочной технологии, либо в виде интегрального модуля с однорядным расположением выводов.
Электрические схемы магистральных выходов ЭСЛ и GaAs микросхем
не отличаются от обычных. Отличие состоит в требованиях к параметрам.
Магистральный выход должен обеспечивать выходной ток не менее 50 мА
для того чтобы создавать требуемое выходное напряжение на нагрузке
25 Ом. Выходное напряжение низкого уровня должно быть ниже , а выходной ток меньше, для того чтобы при объединении нескольких выходов на линии связи напряжение низкого уровня не превышало требований технических условий. В пределе выходной ток равен нулю, а выходной транзистор закрыт.
ЭСЛ
GaAs
+E
Вых.
Вых.
Открытый эмиттер.
Открытый исток.
рис. 2.7.