- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
В последнее время среди программистов все больше стала набирать популярность цифровая электроника, появляются все новые платформы, позволяющие без каких либо особых знаний в электронике собирать различные устройства. Сам я начинал заниматься аналоговой электроникой, позже — цифровой и программированием. Многие же — наоборот — сначала программированием, а потом пытаются заниматься железом, при этом знания по части электроники практически нулевые и люди не знают/не понимают элементарных для олдфажного электронщика вещей. В данной статье я постараюсь затронуть наиболее важные на мой взгляд моменты, как по части проектирования схем, так и по части разводки плат. Надеюсь мои советы помогут миновать некоторые грабли
Заглянем немного внутрь микросхем и посмотрим как устроены их части. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем сделано по технологии КМОП. Базовым элементом является полевой транзистор с индуцированным каналом p или n типа. Объединив их по следующей схеме — получаем инвертор, при подаче высокого напряжения на входы — сопротивление n канального транзистора мало, а p канального — велико, нижний транзистор подключает выход к земле, если же наоборот — подать низкий уровень — сопротивление будет мало у p канального транзистора — и он подключит выход к высокому напряжению.
Тут кроется, на первый взгляд незаметная вещь — а что будет, если транзисторы будут открыты одновременно?
Правильно — короткое замыкание между питанием и землей — и тут уж что быстрее выйдет из строя — канал одного из транзисторов или питающая схема, которая не сможет обеспечить такой ток. И такое вполне может быть и бывает ведь. Дело тут в том, что для транзисторов существуют диапазоны напряжений на затворе в пределах которых мы считаем, что сопротивление транзистора мало или велико. В зависимости от транзисторов они разные — скажем до 0.6В мы считаем, что один транзистор гарантированно закрыт, а другой открыт, а выше 1.8В считаем, что наоборот. диапазон между этими напряжениями — ЗАПРЕЩЕННЫЙ в цифровой электронике, потому что один транзистор уже может приоткрыться, а второй еще не закрыться. Обеспечить такое условие достаточно просто — достаточно оставить неиспользуемый вход микросхемы болтаться в воздухе — напряжение в таком случае на нем может быть какое угодно. Поэтому
Совет номер 1: всегда подтягивайте неиспользуемые входы микросхемы к какому либо логическому уровню схемы. Потом будет меньше огромных глаз и возгласов «От статики сгорело! Нужно антистатические браслеты одевать.» — Нужно правильно делать схемы, тогда они САМИ гореть не будут. Всегда следите за тем, чтобы логический уровень на входах был четко задан в любой момент работы схемы. Невыполнение этого условия чревато не только ошибками в работе устройства, но и выходом его из строя. И хотя входы обычно оснащены защитными диодами, которые защищают от перенапряжения и задают напряжение на затворе — надеяться на них не стоит.
Кроме входов у микросхем есть еще и выходы — в зависимости от того — какое напряжение мы подаем на выходной каскад — открывается один или другой транзистор, через который течет ток — он либо вытекает либо втекает в микросхему, чтобы получить напряжение (ведь именно мы мерим) ток нужно пропустить через сопротивление. Это сопротивление и будет определять ток, протекающий через выход микросхемы, если мы нагружаем выход на высокоимпедансный вход 10МОм, при напряжении питания 5В — через выход контроллера будет протекать ток 0.5 мкА. Канал транзистора имеет ограничение по протекающему через него току — как правило это отражено в даташитах. Сопротивление на которое нагружается выход микросхемы не должно быть меньше допустимого. Скажем — если максимальный выходной ток 10мА, а напряжение питания 5В, то максимальное нагрузочное сопротивление будет 0.5кОм или 500Ом, если меньше — сгорит.
Совет номер 2:
Подключайте выходные разъемы через проходные резисторы ~1кОм, потому что к выходным разъемам по определению можно подключить что угодно, проходной резистор обезопасит схему от кривых рук (возможно даже своих же). Внутри схемы — если уверены, что выход всегда будет нагружен на высокоимпедансный вход — можно обойтись без них. Все это разумеется справедливо, если выходной сигнал — напряжение, если на выходе требуется ток — тут можно сконфигурировать выходы в режиме открытого коллектора, либо использовать дополнительный внешний транзистор для управления нагрузкой.
Индуктивность — это некоторая инертность места, где протекает ток — мне очень нравится тут аналогия с сантехникой — индуктивность это массивная турбина, которая при подаче давления — постепенно раскручивается, потом все меньше и меньше сопротивляется напору воды, в итоге перестает сопротивляться вообще, а если снять давление, то турбина продолжает толкать воду, пока не остановится. В общем в самом начале давление совершает работу по раскрутке турбины, которая запасает в себе энергию. В случае с током — то же самое тут напряжение это то же давление в сантехнике — мы пытаемся сдвинуть электроны с места, прикладывая некоторое напряжение, но природа так устроена, что часть энергии должна запастись в электромагнитном поле — сколько именно — определяется геометрией контура (массой, геометрией турбины).
Всегда помните, чему вас учили в школе — ток течет по кольцу! И площадь этого кольца с током, так же как и толщина проводника определяют индуктивность контура — сколько энергии будет запасаться в магнитном поле. Это магнитное поле может влиять на другие проводники — это явление используется в трансформаторах. Любые 2 контура с током обладают взаимной индукцией и один будет влиять на другой. Во вторых — высокая индуктивность ограничивает быстродействие схемы, кроме того индуктивности с паразитными емкостями могут образовывать резонансные контуры и схема может работать непредсказуемо… Но обо всем по порядку — Расскажу о некоторых эффектах, связанных с индуктивностью в цифровой технике
Любой кусочек проводника, по которому течет ток имеет свою индуктивность, в том числе и ножки микросхемы. Посмотрим, на что она может влиять. Рассмотрим следующую схему — все что в желтом квадратике — кристалл микросхемы, внутренние линии питания связаны с внешними через индуктивность ножек.
Допустим на выходе удерживался высокий логический уровень — тек небольшой ток через входное сопротивление приемника и была заряжена входная емкость, и тут происходит переключение выхода в низкий логический уровень. Открывается нижний транзистор, закрывается верхний, емкость C — заряжена, сопротивление R — велико, емкость будет разряжаться через нижний транзистор и индуктивность земляного вывода — что мы имеем? После переключения выхода из 1 в 0 — получаем бросок тока, обусловленный входной емкостью приемника, ток проходя через индуктивность земляного вывода вызывает ЭДС самоиндукции, внутренняя земля таким образом подпрыгивает относительно внешней на величину этой ЭДС равной -LdI/dt, причем знак производной сначала будет положительный — ток через индуктивность возрастает, а затем — отрицательный — ток падает. Получаем импульсную помеху по внутренней шине земли — её потенциал сначала подпрыгнет, а потом просядет на одинаковую величину.
Но все внутренние измерительные цепи используют потенциал земли как опорный! Подпрыгивает только он, с другими сигналами на затворах ничего не происходит. А теперь представим, что микросхема наша тактируется от внешнего генератора и выходов у неё не 1, а 8 — 32 — какая нибудь микросхема памяти с раздельными выводами для чтения и записи — одновременно и пишем и читаем — сначала выставляем данные на входах, которые хотим записать, потом выдаем тактовый сигнал — входные данные защелкиваются, а выходные выставляются. Механизм распознавания тактового сигнала — дифференциальный — внутри измеряется разница между напряжением на входе тактовой синхронизации и внутренней землей. Допустим произошло переключение по тактовому сигналу выходов из состояния 0xff в 0x00 — при этом напряжение импульсной помехи будет в 8 раз больше, чем с 1 ножкой — внутренняя земля сначала подпрыгивает, а поскольку важна разница между входным сигналом и внутренней землей — может подпрыгнуть настолько, что внутренний компаратор переключится в 0, затем земля опустится и компаратор снова переключится в 1 — получаем дополнительный такт сразу за первым, при этом новые входные данные еще не выставлены, а выходные еще не приняты. Внешне это не проявится никак — схема просто будет сбоить непонятно почему — на осциллографе все будет чисто, вы же не можете ткнуться в кристалл микросхемы.
Производители решают эту проблему, снижая индуктивность выводов, создавая безвыводные корпуса, которые к тому же экономят место, но ценой снижения механической надежности и усложнения монтажа и используя отдельные выводы для измерительных цепей, так же используются несколько выводов земли и питания — таким образом индуктивности выводов соединяются параллельно и общая индуктивность снижается, кроме того это позволяет распределить токи внутри кристалла и уменьшить их влияние друг на друга.
Совет номер 3:
Если микросхема имеет раздельные выводы питания — у каждого должна быть своя точка соединения с шиной земли или питания- не нужно соединять их вместе, а затем одной сопелькой все это присоединять к шине — так вы убиваете всю задумку!
Помните я говорил, что ток течет по кольцу? Об этом всегда нужно помнить, когда вы разрабатываете высокочастотное устройство. На высоких частотах сопротивление линии начинает играть меньшую роль, по сравнению с индуктивностью — ВЧ ток течет не по пути наименьшего сопротивления, а по пути наименьшей индуктивности ток всегда стремится образовать контур с наименьшей индуктивностью — то есть обратный ток стремится течь как можно ближе к дорожке, по которой течет прямой ток — так площадь контура будет минимальна, соответственно будет минимальна и его индуктивность. Чем меньше индуктивность линии — тем выше её быстродействие(турбина легче раскручивается), кроме того — обратные токи разных линий не должны течь по одному и тому же месту — так они имеют высокую взаимную индуктивность — один контур начинает давать наводки на другой, как в трансформаторе. В общем все, что вам нужно сделать при разводке печатной платы — позволить обратному току течь под дорожкой.
Вот пример того, как не стоит делать: — в земляном слое разрез — обратный ток от верхней пары приемник — передатчик — обратный ток вынужден огибать разрез — при этом возникает пересечение с другим контуром тока и увеличивается площадь и индуктивность контура
Совет номер 4:
Следите за обратными путями сигнальных токов — ток сам стремится минимизировать индуктивность — вы просто не должны ему мешать. Следите, чтобы контуры пересекались как можно меньше — это увеличит помехоустойчивость схемы
Везде, где есть 2 проводящие поверхности — есть емкость — будь то провода, проводники на печатной плате или ножки микросхем — иногда емкость это хорошо иногда плохо. Например в случае срабатывания на удвоенной частоте — большая входная емкость приемника — плохо, потому что увеличивается количество принимаемого ей заряда, соответственно амплитуда импульсной помехи. Если в случае индуктивности — связь идет по магнитному полю, то в случае с емкостью — по электрическому, решающую роль здесь играет площадь проводников и расстояние, а также то, что расположено между ними. Например емкостная связь между проводниками в шине — плохо(например шлейф IDE) — минимизировать её можно пустив между дорожками земляной проводник, тогда эквивалентная схема будет следующей: C — емкость между двумя проводниками. — в таком случае влияние взаимной емкости снижается во первых — в 2 раза за счет увеличения расстояния, во вторых — имеем 2 параллельно соединенных конденсатора — один идет в землю, второй в другой проводник — один имеет импеданс 1/iwC, другой 2/iwC, переменный ток поделится между ними в отношении 2/1, то есть наличие земляного проводника между линиями позволяет снизить влияние взаимной емкости в 4 раза
Если в схеме присутствуют 2 земли — аналоговая и цифровая или сильноточная и слаботочная — нужно следить, чтобы взаимная емкость между полигонами была минимальна — добиться этого можно, делая один из полигонов сеточкой. Но стоит предостеречь, что уменьшение емкости полигона не всегда идет на пользу
Вообще говоря для переменного тока не имеет никакого значения — течь по земле или по шине питания — для него они равноправны. В идеальном случае источник питания должен обладать нулевым импедансом, но в реальности это не так, вклад в это вносят подводящие провода и разводка питания. Чем это плохо? Допустим — какой то выход микросхемы переключился из состояния 0 в состояние 1 — при этом должна зарядиться выходная емкость. а где взять электроны для заряда? правильно — из батарейки, то есть при каждом переключении у нас происходит импульсный бросок тока в цепи питания — и так при каждом переключении чего то внутри микросхемы, а что делает ток, протекая через индуктивности цепи питания? создает помехи для других таких же цепей — если не обеспечен низкий импеданс по переменному току между питанием и землей и у тока нет другого пути кроме как через батарейку — уровень перекрестных помех в схеме возрастает. Проблема решается установкой блокировочных конденсаторов рядом с каждой микросхемой — это по сути маленькие батарейки с низким импедансом — при помощи них мы разделяем и уменьшаем контура переменных токов микросхем. Стоит остановиться немного на конденсаторах — на приведенной схеме L2, C2, ESR, ES — эквивалентная схема конденсатора — L2 — последовательная индуктивность выводов, C2 — собственно емкость, ES — сопротивление диэлектрика,ESR — эквивалентное последовательное сопротивление — засуньте кусок текстолита в микроволновку и включите на несколько секунд — теплый? Вот это и есть — эквивалентное последовательное сопротивление — дело в том, что диэлектрик это диполи — по сути 2 шарика, соединенные пружинкой — это колебательная система, которая имеет свою частоту — если вы меняете внешнее поле с близкой частотой — сопротивление мало, если с отличной — систему все сложней заставить колебаться — ESR зависит от частоты и имеет резонансный пик — в окрестности этого пика ESR мало — положение этого пика зависит от материала диэлектрика — у электролитических конденсаторов он находится на низких частотах, у керамических — на более высоких. Таким образом, чтобы конденсатор имел малый импеданс мы должны обеспечить минимальную индуктивность выводов и минимальное ESR
Совет номер 5:
Для уменьшения перекрестных помех по линиям питания старайтесь минимизировать импеданс разводки линий питания, по возможности используйте полигоны для питания и земли — емкостная связь между ними способствует уменьшению импеданса.
Поскольку для переменного тока не имеет значения — возвращаться по линии питания или по земле — используйте конденсаторы, чтобы возвратный ток мог перетекать из слоя в слой при необходимости. Располагайте блокировочные конденсаторы в непосредственной близости от микросхем, для минимизации перекрестных помех по линиям питания. Используйте конденсаторы с различными типами диэлектриков.
На этом все — надеюсь кому то статья была полезна — свои вопросы и замечания оставляйте в комментариях или в ЛС
Автор: SlavikMIPT
Источник [1]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/e-lektronika/30207
Ссылки в тексте:
[1] Источник: http://habrahabr.ru/post/156977/
Нажмите здесь для печати.