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數(shù)字電路中△I噪聲的危害分析

作者: 時(shí)間:2012-09-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

地線噪聲可能破壞數(shù)字系統(tǒng)的正常工作。例如參考文獻(xiàn)[4]中所述,一個(gè)TTL 八D觸發(fā)器,由單一時(shí)鐘輸入,驅(qū)動一組32個(gè)存儲器的芯片組。以每條輸入線5pF負(fù)載電容計(jì)算,每條地址線的容性負(fù)載為160pF。可知,地線噪聲可能引起雙重觸發(fā)(誤觸發(fā))。然而,從外部觀測時(shí)鐘輸入,顯示的是一個(gè)完全干凈的信號,錯(cuò)誤只出現(xiàn)在器件封裝內(nèi)部。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/185811.htm

  測試表明,74HC174(四觸發(fā)器)中單個(gè)觸發(fā)器輸出跳變引起噪聲脈沖VGND大約為150mV,而在74F174上引起的噪聲脈沖VGND是400mV。進(jìn)一步可知,這樣大的脈沖足以引起嚴(yán)重問題。

  在工程實(shí)踐中,可用下式估算噪聲脈沖VGND的大小:

  

公式

  式中,tr(f)為邏輯器件的上升(或下降)時(shí)間(10%~90%轉(zhuǎn)換時(shí)間),△V為轉(zhuǎn)換電壓。tr(f)和△V的大小取決于邏輯電路系列的性能指標(biāo),計(jì)算時(shí)取典型值。

  實(shí)際上,這種地線噪聲已成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的主要噪聲源之一,其危害往往嚴(yán)重而復(fù)雜。除了上面的示例外,邊沿觸發(fā)器的輸入線(如復(fù)位和中斷服務(wù)線)也特別容易受到地線噪聲的影響。地線噪聲引起的EMI輻射已成為一些數(shù)字電子產(chǎn)品不能通過相關(guān)的EMC強(qiáng)制測試認(rèn)證的主要原因之一。

  2.2 電源線噪聲

  由于電源分配網(wǎng)絡(luò)有寄生電感和寄生電阻,因而當(dāng)△I噪聲電流流過時(shí),便產(chǎn)生噪聲電壓(自感電壓和歐姆電壓降),即電源線噪聲。

  對數(shù)字IC而言,電源線噪聲是電源噪聲的主要來源。

  電源線噪聲會引起電源電壓波動。電源電壓波動帶來的危害在本文的前面已討論過,故不贅述。

  在數(shù)字系統(tǒng)中,地線噪聲的影響較電源線噪聲的影響大。因?yàn)殡娫淳€噪聲可以通過合理使用去耦電容器(decoupling capacitor)予以有效控制,而地線噪聲無法通過去耦的方法來解決。

  3 輸出波形畸變和延時(shí)增加

  3.1 輸出波形畸變

  TTL反相器負(fù)載電容CL的放電回路的等效電阻Req很小[1,2],這個(gè)回路就成為一個(gè)高Q值的RLC串聯(lián)電路,容易產(chǎn)生振蕩,引起邏輯門的輸出波形畸變(振鈴,ringing),甚至使輸出電壓從正電壓變成負(fù)電壓。實(shí)際上,負(fù)載電容CL充電時(shí),充電回路也形成一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路,但由于R4相當(dāng)于串聯(lián)諧振電路中的一個(gè)阻尼電阻(damping resistor),所以該串聯(lián)諧振電路引起的振鈴不嚴(yán)重,通常不予考慮。

  振鈴幅度足夠大時(shí),就會在負(fù)載電路(接收端)的輸入端產(chǎn)生非法的電平過渡,使傳送的信息出錯(cuò),并可能出現(xiàn)影響邏輯設(shè)計(jì)的寄生邏輯狀態(tài)。在有些情況下,振蕩幅度可能超過電壓的極限值,造成器件損壞[8]。

  3.2 延時(shí)增加

  △I噪聲引起電源電壓降低。由反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理可知,電源電壓降低使反相器的驅(qū)動能力降低,進(jìn)而使反相器的延時(shí)增加。

  由于的輸出端一般都有緩沖器,緩沖器與反相器的結(jié)構(gòu)和性能基本相同,所以△I噪聲將使的延時(shí)增加。而且,由于△I噪聲在電源分配網(wǎng)絡(luò)的不同位置引起的電源電壓下降不同,所以對不同位置的緩沖器造成的延時(shí)增加也不同,這將使對的時(shí)序變得更加復(fù)雜。

  4 功耗增加

  4.1 TTL反相器功耗增加

  根據(jù)TTL反相器電源電流尖峰脈沖波形[1,2],可求得電源電流尖峰脈沖引起的功耗增加。在計(jì)算時(shí),因輸出電平由高向低轉(zhuǎn)換的過程中產(chǎn)生的電源電流尖峰脈沖相對很小,故忽略不計(jì)。

  為簡化計(jì)算,可將電流尖峰脈沖近似為三角形脈沖,并認(rèn)為尖峰電流的持續(xù)時(shí)間等于傳輸延遲時(shí)間tPHL。如果每個(gè)周期中輸出高、低電平持續(xù)的時(shí)間相等,在考慮電源電流尖峰脈沖的影響之后,電源電流的平均值將為:

  

公式

  式中,IL為輸出為低電平時(shí)的電源電流,IH為輸出為高電平時(shí)的電源電流,IP為電源電流尖峰脈沖的峰值,f為輸入信號的頻率,tPLL為門電路的傳輸延遲時(shí)間。

  式(4)中第2項(xiàng)為電源電流尖峰脈沖引起的電源平均電流增加。

  對于TTL反相器,已算出IL≈3.4mA、IH≈1mA和Ip=34.7mA[1,2],并知tPLL=15ns。若輸入電壓信號為f=5MHz的矩形波,且占空比(duty cycle)為50%,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4),可求得此時(shí)電源電流的平均值為ICCAV=3.37mA。這個(gè)結(jié)果比單純地用IL和IH平均所得到的數(shù)值增加了53%。

  4.2 CMOS反相器功耗增加

  根據(jù)CMOS反相器瞬時(shí)導(dǎo)通電流的波形[1,2],可求得CMOS反相器瞬時(shí)導(dǎo)通電流引起的功耗。

  為簡化計(jì)算,可將電流脈沖近似為三角形脈沖,且認(rèn)為反相器的上升和下降響應(yīng)是對稱的。在這樣的假定下,可求得平均功耗為:

  

公式

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