4.4.7. Методы защиты от помех

Электрическое соединение логических и других элементов ЭВМ осуществляется по двум видам связи: сигнальной и цепям питания. По сигнальным связям информация передается в виде импульсов напряжения и токов. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения. При использовании одного источника напряжения питание к элементам подводится с помощью двух проводников: прямого и обратного.

Часто на элементы необходимо подавать напряжение от нескольких источников с разными номиналами. В этом случае для уменьшения количества шин питания обратные проводники объединяют в одну шину, которую соединяют с корпусом устройства и называют «земля». В статическом состоянии по цепям питания протекают токи, вызывающие падение напряжения на элементах. Необходимо, чтобы это падение напряжения составляло малую часть от номинала источника напряжения. Если задаться значением максимально допустимой помехи, возникающей при потреблении элементами энергии в статическом состоянии, то можно установить требования к допустимому значению сопротивления шины питания, а отсюда и к геометрии шины. Поясним это на примере цепочки элементов, последовательно подключенных к шине «земля» (рис. 4.35).

Рис. 4.35 – Принципиальная схема

В наихудшем «режиме» по помехозащищенности на шине питания («земля») находится n-й элемент, так как его реальная статическая помехозащищенность уменьшена по сравнению с номинальной на значение падения напряжения на шине «земля» относительно точки ее присоединения к источнику питания . Величину можно оценить, пользуясь эквивалентной схемой (рис. 4.36).

Рис. 4.36 – Схема замещения

Обозначая через сопротивление участка шины питания между двумя расположенными рядом элементами, а через — ток потребления одним элементом, получим:

.

Если — максимально допустимое значение статической помехи, то допустимое значение сопротивления шины питания будет определяться из выражения

.

При работе блоков и устройств ЭВМ, когда происходит выключение одних элементов и включение других, возникает процесс перераспределения токов. Ток потребления по шинам питания изменяется, что приводит к нежелательным падениям напряжения и паразитным наводкам. Для шины питания большого устройства (стойки) изменение тока в ней незначительно, так как для этой шины в любой момент времени число включенных элементов можно считать одинаковым.

Иное происходит в шинах питания, подводящих энергию к более мелким устройствам (регистрам, счетчикам, блокам формирователей). В этом случае переключение элементов (сброс в «0» регистра или запуск блока формирователей) приводит к значительному изменению тока потребления от источника напряжения. Так как шины питания имеют паразитную емкость и индуктивную связь с сигнальными шинами, то при переключении элементов на сигнальных связях наводятся большие помехи. При определенных условиях эти помехи могут вызывать ложное срабатывание схем.

Кроме того, изменение тока в шине питания приводит к возникновению в ней переходного процесса. Переходной процесс в шине питания приводит к колебанию напряжения, приложенного к элементу, что изменяет, с одной стороны, режим его работы, а с другой — параметры выходного сигнала. Задавшись допустимым значением импульсного сигнала помехи на входе элемента из-за помех по цепям питания , можно определить максимально допустимое значение индуктивности шины питания:

,

где — фронт импульсов переключения.

Индивидуальные сглаживающие конденсаторы (ИСК) устанавливают между шинами питания и «земля» непосредственно возле точек присоединения электронной схемы к этим шинам. Будучи заряженными до значения источника напряжения, ИСК являются как бы индивидуальными источниками питания схемы, максимально приближенными к ней физически.

В аппаратуре используются два вида ИСК: устанавливаемые непосредственно у каждой микросхемы и устанавливаемые на группу микросхем в пределах одной ячейки, модуля. Первый тип предназначен для «сглаживания» импульсных помех в момент переключения микросхемы за счет локализации цепи протекания бросков тока в цепи микросхема — ИСК. В качестве ИСК используют обычно обладающие малой собственной индуктивностью керамические конденсаторы (К 10-9). Емкость ИСК — выбирают исходя из условия равенства заряда, накапливаемого конденсатором за время переключения микросхемы, заряду, переносимому выбросом тока за время переключения элемента. При этом изменение напряжения на конденсаторе не должно превышать некоторого наперед заданного значения, равного допустимой помехе по шине питания. Отсюда

, ,

где — максимальное значение переменной составляющей тока потребления;

— выходной ток короткого замыкания микросхемы;

k — коэффициент, значение которого зависит от типа схемы (например, для схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) k = 0,33);

— допустимая импульсная помеха на шине питания.

Второй тип ИСК, устанавливаемый на группу микросхем, предназначен для компенсации бросков тока в системе электропитания. Это обычно электролитические конденсаторы большой емкости, обеспечивающие исключение резонансных явлений в цепях питания. Выбор емкости этого типа проводят, используя выражение

где ,. — индуктивность и сопротивление шин питания.