Применение ТТЛ микросхем

Для защиты от внешних помех используется экранирование от сигналов внешних и внутренних мощных каскадов, создающих помехи электромагнитного или электростатического характера. Экранированы должны быть все чувствительные к помехам цепи. Для защиты от электростатических полей экран может быть сделан из алюминия и других металлов, для защиты от электромагнитных полей — только из железа. Каждый экра

нирующий кожух должен быть подсоединен к общему заземлению низкоомным проводом. Если в самой системе содержатся элементы (реле, устройства защиты, двигатели и т. д.), создающие в проводниках заземления большие коммутационные токи, необходимо использовать раздельные шины заземления. Пространственное разделение элементов, а также экранирование логической системы обеспечивает надежную защиту от внешних помех и от помех, не обусловленных работой самих ИС ТТЛ.

Токовые помехи по цепи питания. Эффективным средством защиты ИС от помех по цепи питания является включение конденсаторов развязки между шинами питания и общей. В этом случае шина питания рассматривается как проводящий постоянный ток элемент, который имеет низкое сопротивление при протекании токов переходных процессов «на землю». Для качественной развязки необходимы конденсаторы, имеющие большую емкость для низких частот и малую для высоких. Обычно конденсаторы развязки устанавливаются отдельно для блокирования низкочастотных (С1) и высокочастотных (С2) помех (рис. 4.11).

Низкочастотные помехи, проникающие в систему по цепи питания, должны блокироваться с помощью электролитического конденсатора емкостью не менее 1,0 мкФ, из расчета один конденсатор на каждые пять-десять ИС. Устанавливать электролитические конденсаторы следует возможно ближе к контактам разъемов. Допускается устанавливать их и в других местах плат с микросхемами при условии, что не менее половины емкости сосредоточено у разъемов.

Для исключения высокочастотных помех развязывающие емкости в самом общем случае должны быть распределены по всей площади печатной платы равномерно относительно ИС, из расчета один конденсатор на группу не более чем 10 ИС, а емкость 0,002—0,001 мкФ на одну ИС. При этом необходимо, чтобы линия питания, обладала по возможности низким сопротивлением для протекания токов переходных процессов «на землю» и чтобы длина выводов развязывающих конденсаторов в непосредственной близости от ИС была минимальной. Это требование диктуется необходимостью блокирования высокочастотных напряжений, вызываемых всплесками тока, возникающими в цепи питания ИС.

Рис. 4.11. Схема развязки помех по цепи питания

Эти напряжения создают тем большие помехи, чем большим сопротивлением высокочастотным помехам обладает линия питания. В частности, подобные перенапряжения определяются характером работы самих ИС ТТЛ. Как было показано (см. рис. 4.7), при переключении выходного каскада ИС из состояния лог. 0 в состояние лог. 1 оба выходных транзистора одновременно открываются на несколько наносекунд. При закрывании выходного транзистора VT5 (см. рис. 3.1) сначала должно произойти рассасывание заряда, накопленного в базе VT5, а это вызывает всплеск тока примерно 10 мА (без учета влияния емкости нагрузки) длительностью около 6 не в линии питания. Если одновременно выключаются несколько ЛЭ (с разбросом во времени не более 5 нс), то коммутационное перенапряжение соответственно увеличится. Конденсатор развязки, установленный в непосредственной близости от микросхемы, образует цепь низкого сопротивления для высоких частот и практически исключает влияние выбросов тока и напряжения.

Рис. 4.12. Зависимость амплитуды напряжения помехи от расстояния между логическим элементом ИС серии К155 и блокировочным конденсатором

Кроме того, важным фактором, определяющим напряжение помехи, является расстояние между источником помехи (логическим элементом) и следующим блокировочным конденсатором. На рис. 4.12 показаны всплески напряжения, возникающие при переключении выходов ЛЭ из состояния лог. 0 в состояние лог. 1, в зависимости от расстояния l между ЛЭ и блокировочным конденсатором емкостью 0,01 мкФ и от числа n синфазно включаемых ЛЭ (волновое сопротивление линии 80 Ом). Из рис. 4.12 следует, что при l= 20 см амплитуда всплесков напряжения при выключении одного ЛЭ составляет 0,1 В. При увеличении числа синфазно включаемых ЛЭ амплитуда помехи существенно возрастает. В качестве блокировочных могут использоваться только безиндукционные конденсаторы (керамические или танталовые).

При проектировании печатных плат, содержащих ИС ТТЛ, необходимо обращать внимание на правильное распределение и топологию линий заземления для исключения возможных неблагоприятных всплесков напряжения. Этот эффект может проявиться в момент возрастания тока в выходном каскаде управляющего ЛЭ при его переключении в состояние лог. 0 (рис. 4.13). Тогда со входа управляемого ЛЭ D2 протекает ток через открытый транзистор управляющего ЛЭ D1 и затем по общей шине. Величина всплеска тока определяется паразитной емкостью С (сумма проходной и входной емкости), при этом длительность всплеска тока может достигать нескольких наносекунд. Приблизительно всплеск тока может быть рассчитан следующим образом: IC =CΔU/Δt = 30 (пФ) ∙ 3 (В)/ 4 (нс)= 22,5 мА.

Если одновременно происходит несколько таких коммутационных процессов, то возрастает и ток, вызывающий всплеск напряжения на обладающей индуктивностью общей шине, а это в свою очередь может привести к ложному срабатыванию других ИС, связанных с этой шиной.

Практика применения ИС ТТЛ свидетельствует в пользу распределения проводников общей шины на плате таким образом, чтобы обратные токи протекали по возможно большему числу отдельных проводников. Все общие цепи, в том числе витой пары и коаксиального кабеля, необходимо подключить к «земле» с передающей и принимающей сторон. При использовании многослойных плат необходимо предусмотреть отдельные слои для общей шины и шины питания. Тогда в ряде случаев можно отказаться от применения блокировочных конденсаторов, предназначенных для устранения коммутационных всплесков тока. Если все же собственная емкость между внутренними слоями недостаточна для развязки по питанию, рекомендуется подключить между ними дополнительные конденсаторы.

Рис. 4.13. Коммутационный всплеск тока общей шине при включении ЛЭ

Перекрестные помехи являются следствием воздействия электромагнитных полей, которые возникают в соединительных линиях под действием положительных и отрицательных токов. Связанные электромагнитные поля оказывают воздействие на близко расположенные линии и наводят в них «перекрестные» помехи, которые могут привести к нарушению правильного функционирования аппаратуры.

В аппаратуре на ИС используются коаксиальные кабели, витые пары, одиночные провода и печатные проводники. Линии связи в виде коаксиального кабеля не создают перекрестных помех благодаря хорошей экранировке. Самыми простыми и дешевыми линиями связи являются одиночные провода. Однако с точки зрения подавления помех они обладают наихудшими характеристиками, поэтому разрешается использовать одиночные провода длиной до 25—30 см.

 Скачать реферат