Электрические связи между элементами в ВТ

Связи между элементами в ВТ выполняются различными способами в виде печатных и навесных проводников. При группировке элементов по узлам образуются связи, которые делятся на электрически «короткие» и электрически «длинные».

«Короткие» — линии связи, время распространения сигнала в которых много меньше значения переднего фронта передаваемого по линии импульса (в пределах ячеек и модулей). Сигнал, отраженный от несогласованных нагрузок в этой линии связи, достигает источника раньше, чем успеет существенно измениться входной импульс. Свойства такой линии описываются сосредоточенными сопротивлениями, емкостью и индуктивностью.

«Длинная» линия связи характеризуется временем распространения сигнала, которое много больше фронта импульса (соединения внутри субблоков, блоков, панелей, внутристоечные, межстоечные для ВТ). В этой линии отраженный от конца линии сигнал приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. При расчете такие линии следует рассматривать как линии с распределенными параметрами. Количество «длинных» линий имеет тенденцию к росту.

Для определения уровня помех учитывают электрические параметры линий связи:

а) для «коротких» линий: — индуктивность линии, Гн; — емкость линии, Ф; — сопротивление линии, Ом; — взаимную емкость соседних линий, Ф; — взаимную индуктивность соседних линий, Гн; — проводимость изоляции между соседними линиями, См;

б) , , , , , — те же параметры, распределенные на единицу длины; — волновое сопротивление линии.

При расчете помех необходимо знать длину линии связи, входное и выходное сопротивления нагруженных по линии связи элементов, входные и выходные емкости. Так как логические схемы имеют нелинейные входные и выходные характеристики, то их входное и выходное сопротивления при переключении схем из одного состояния в другое могут изменяться на несколько порядков.

4.4.3. Помехи при соединении элементов ВТ «короткими» связями

При анализе процессов в «коротких» линиях связи составляют эквивалентную схему, содержащую сосредоточенные индуктивность и емкость. Исходя из предположения преобладания того или иного параметра, рассмотрим влияние каждого в отдельности на передачу сигналов. Индуктивный характер сигнальной линии связи рассчитывается по эквивалентной схеме (рис. 4.23).

Рис. 4.23 – Схема сигнальной линии индуктивного характера

При подаче на вход схемы ступеньки напряжения с амплитудой состояние схемы может быть описано уравнением

.

При этом напряжение на входе второго элемента

где . Так как в микроэлектронных элементах обычно , то

(4.7)

Элемент Э2 срабатывает, когда напряжение на его входе достигает порога срабатывания с некоторой задержкой (рис. 4.24). Задержка может быть определена по формуле (4.7). Если принять то

Рис . 4.24 – Временная диаграмма

Для уменьшения задержки необходимо уменьшить индуктивность линии и увеличить входное сопротивление элементов. Индуктивность линии зависит от типа используемых проводников, их сечения и длины. В существующих ЭВМ используются элементы, время переключения (задержки) которых составляет единицы и доли наносекунд. Желательно, чтобы задержки, вносимые линиями связи, составляли малую, в худшем случае соизмеримую, часть от времени переключения элементов.

Емкостной характер сигнальной линии рассчитывается по эквивалентной схеме (рис. 4.25).

Рис. 4.25 – Эквивалентная схема сигнальной линии емкостного характера

В соответствие с законом Кирхгофа имеем:

или

где

При ,

Влияние емкости сигнальных линий аналогично влиянию индуктивности сигнальной линии и выражается в задержке включения нагруженных схем (см. рис. 4.24). Чтобы обеспечить устойчивую работу элементов, необходимо уменьшить длину цепей связи, амплитуды токов, увеличить порог срабатывания элементов, фронт передаваемых импульсов, расстояние между проводниками связей. Последнее уравнение трансцендентное и решать его следует методом итераций. В общем случае в цепи приемника наводки возникают как емкостная, так и индуктивная помехи. При этом емкостная наводка изменяет потенциал всей линии связи, а индуктивная создает разность потенциалов между входом и выходом линии. Прямой способ нахождения суммарной помехи сложен. Достаточно хорошее приближенное решение может быть найдено путем нахождения допустимой длины линии связи для емкостной и индуктивной составляющей помехи. Полагая, что амплитуда помехи пропорциональна длине провода, можно определить допустимую длину общего участка двух сигнальных цепей по формуле

.

Таким образом, можно определить совместное влияние индуктивной и емкостной помехи на длину сигнальной линии.

4.4.4. Помехи при соединении элементов «длинными» связями

Электрически «длинную» линию (ДЛ) при расчетах схем рассматривают как однородную линию с распределенной емкостью С₀ и индуктивностью L₀. Переходные процессы в таких линиях зависят от характера перепада напряжения на входе линии и соотношения волнового сопротивления линии Z₀, выходного сопротивления генератора импульсов и входного сопротивления нагруженного на конец линии элемента.

Из теории «длинных» линий известно, что если линия с волновым сопротивлением Z₀ нагружена на сопротивление то коэффициент отражения, определяемый как отношение изображения (по Лапласу) напряжения отраженной волны к изображению напряжения падающей волны, определяется из соотношения

.

Если то и такую линию называют согласованной, то в ней не происходит отражений от сопротивления нагрузки. Если , то и такую линию называют несогласованной: волна напряжения, достигнув конца линии связи, отражается синфазно или в противофазе . Отраженная от конца линии связи волна напряжения, достигнув ее начала, или затухает, если или вновь отражается, если (рис. 4.26). На рис. 4.27 схематически представлен процесс прохождения волны напряжения в линии, для которой , . Генератор выдает напряжение U(t). На входе линии связи это напряжение преобразуется в соответствии с формулой

.

Рис. 4.26 – Схема «длиной» линии

В свою очередь эта волна напряжения, пройдя по «длинной» линии со скоростью , через время достигнет конца линии и отразится от него с коэффициентом отражения . Отраженная волна через время Т,дойдя до начала линии связи, также отразится от него с коэффициентом отражения .

Процесс поочередного отражения волны напряжения от обоих концов «длинной» линии продолжается до тех пор, пока амплитуда отраженной волны не уменьшится до нуля. Отраженные волны напряжения накладываются на падающие, и в итоге форма входного напряжения может существенно исказиться. Аналогичные явления происходят и для волны тока. Коэффициент отражения волны тока , т. е. , а это означает, что волна тока отражается в противофазе с волной напряжения. Если активно, то значение определяет отношение изображений и оригиналов отраженной и падающей волн напряжения и тока. При этом форма отраженной волны подобна форме падающей, а ее значение и знак определяется .

Рис. 4.27 – Схема отражения в «длиной» линии

Отражения волн напряжения и тока могут быть не только от несогласованных нагрузок на концах «длинной» линии, но и от различных неоднородностей в ней самой. На рис. 4.28 «длинная» линия на участке А имеет волновое сопротивление , а на участке В — волновое сопротивление Волна напряжения (тока), достигнув границы раздела, при дальнейшем продвижении вдоль «длинной» линии изменит свое значение на или ,где

.

Рис. 4.28 – Схема отражения сигнала от несогласованных нагрузок

Это является следствием отражения от границы раздела двух участков линии с различными значениями волнового сопротивления. Для анализа переходных процессов в «длинной» линии необходимо знать ее волновое сопротивление .