Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Földzaj és ellene való védekezések Földzaj. 1.1.0. T.
2002-02-20
Földzaj. Földzaj problémák a nagy meghajtó képességű IC-knél A nagy áram meghajtó képességű IC-nél nagymértékben előjöhetnek a földvezetéken fellépő hirtelen áramváltozásból adódó problémák. Jelentőségükre való tekintettel, ezzel külön is foglalkozom.
Földzaj.1. Föld-pattogás (Ground Bounce) és csökkentése Nézzük egy digitális IC kimenetének a helyettesítő képét. A kapcsoló természetesen CMOS. + táp csatlakozója + táp csatlakozó szál induktivítása L VCC p csatornás FET jelkimenet induktivítása L OUT Kimenet
n csatornás FET föld szál induktivítása L
GND
IC föld csatlakozó lába
Földzaj.1. ábra. Egy digitális IC kimeneti áramkörének helyettesítő képe Az IC teljes árama átfolyik a földszálon. I Az áram változás: U LGND szerinti feszültség változást okoz. Következményeként az t L szinten (0,1 V) nyugalomban lévő kimenet potenciálja is megváltozik "elpattan" a földtől. Földzaj.3. ábra. Az eltérések nevesítése Földzaj.4. ábra.
Földzaj.1.1. 1/6
Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Földzaj és ellene való védekezések Földzaj. 1.1.0. T.
2002-02-20
+ Be
Ki (vezérelt)
Vezéreletlen kimenetek
+ 74AC240 Javítatlan IC Földzaj.2. ábra. Mérési összeállítás föld-pattogás vizsgálatához
Be
Vezérelt Ki
1,8 V Vezéreletlen Ki
földpattogás
Földzaj.3. ábra. Földpattogás kialakulásának szemléltetése A probléma csökkentésének módja az eddig leírt fizikai alapokon: - Az induktivitások csökkentése - A jelkimenet meredekségének csökkentése. A kimeneti meghajtóáramkörnél áramköri megoldással korlátozzák a jelváltási meredekséget. Nem engedik olyan gyorsan változni a jelet, mint amit a technológia lehetővé tesz. Ezt nevezik OEC = Output Edge Control = Kimeneti él szabályozó áramkörnek. (Texas Instrument) Földzaj.5. ábra. A Philips cég erre a problémára más áramköri kialakítást használ. Az OEC megoldáshoz a kimeneti meghajtót több, párhuzamosan kapcsolt térvezérlésű tranzisztorból építik fel. A párhuzamosan kapcsolt részeket késleltető áramkörök beiktatásával hajtják meg. Az áramgenerátor jellegű kimeneten így lassabban nő az áram. Nő a Δt, és ezzel csökken az indukált feszültség.
Földzaj.1.1. 2/6
Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Földzaj és ellene való védekezések Földzaj. 1.1.0. T.
2002-02-20
VOH
VOH
Kapcsolt kimenetek
VOLP-HL
VOLP-LH
Nem kapcsolt aktív alacsony kimenet
VOL VOLV-HL
VOLV-LH
Földzaj.4. ábra. Vezéreletlen kimeneteken kialakuló földpattogás kialakulása és az eltérések megadásainak betűnevei. VCONTROL VCC VO
T1
T2
T3
V
GND
Földzaj.5. ábra. Kimeneti jelmeredekség korlátozó áramkör elvi felépítése. A katalógusok a korszerű, gyors áramköröknél, pl. AC(T); AHC(T); FC(T) stb. és a technológiájuknak megfelelő programozható áramköröknél megadják a ground baunce maximális nagyságát. Pl. Volp< 0,8 V, a példa érték az LVT 125 áramkör adata. A föld bevezetés induktivitás csökkentésének lehetséges módjai az IC-n belül: - A tokozásban lévő láb és a félvezető között több szálat párhuzamosan kötnek. - Új tokozás kialakításával és több föld, illetve táp láb alkalmazásával. - A föld lábnak a tok legközebbi részére helyezésével. - A megoldásokra lásd a Földzaj.6. ábrát!
Földzaj.1.1. 3/6
Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Földzaj és ellene való védekezések Földzaj. 1.1.0. T.
2002-02-20
táp
föld
táp
föld
táp
föld Hagyományos tokozás 20 lábú toknál tok Lföld 10 nH L legrövidebb/leghosszabb egy 40 lábú toknál 1:20 is lehet
Centrális föld elrendezés 24 lábú keskeny tokozásnál Lföld 2,5 nH
PLCC tokozás, vagy más felület szerelt
L legrövidebb/leghosszabb az egész tokra maximum 1,44
Földzaj.6. ábra. Föld és táp láb bekötések különböző megoldásai az eltérő tokozási formáknál. A felületszerelés, a csökkentett tokméretek, és négy oldalas kivezetés miatt, itt is csökkenti a problémákat.
Földzaj.2. A lógó CMOS bemenet által okozott probléma és kiküszöbölése a Bus-hold (sin állapot tartó) áramkörrel Mint eddigi tanulmányainkból tudjuk a sehova be nem kötött CMOS bemenet állapota, véletlenszerűen változik, ennek megfelelően kimenete is. Tri-state sínen, a harmadik állapotba vezérléskor, tulajdonképpen ebbe a nem meghatározott állapotba vezéreljük a sínen levő bemeneteket. Ennek a nem meghatározottságnak a következtében a CMOS áramkör begerjedhet, (Földzaj.7. ábra.) és akár túlzott disszipációba kergetve a tokot, túlmelegedés folytán tönkre is mehet. pl. HC04
sin (bus)
NVEZ0
Be 0
NVEZ1
Be 1
Földzaj.7. ábra. Egy tri-state sín kialakítása. Segédábra a sínberezgés vizsgálatához.
Földzaj.1.1. 4/6
Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Földzaj és ellene való védekezések Földzaj. 1.1.0. T.
2002-02-20
UBE 3V
1,5V
[t] UKI UTÁP/2
[t] Földzaj.8. ábra. Berezgés kialakulása “kikapcsolt” tri-state sín esetén. A probléma kialakulását segíti az előzőekben vázolt földpattogás jelensége is. A klasszikus megoldás: a tri-state sínt egy nagy értékű ellenállással lebegő állapotból elhúzzuk. Többnyire táp felé, de lehet föld felé is. + 47k
47k NVEZ0
VEZ1
vagy
Földzaj.9. ábra. A tri-state sín lebegő állapotának megszüntetése “elhúzással”. Az ellenállás + helyet kíván és energia felvételt jelent, ezenkívül meghibásodása esetén, pl. beforrasztási hiba, a probléma most már alattomosabb hiba formájában is előállhat. A probléma kiküszöbölése: A bemenetet az utolsó határozott vezérlésű állapotában megtartó áramkört integrálnak az IC bemenetére. Földzaj.10. ábra.
Földzaj.1.1. 5/6
Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Földzaj és ellene való védekezések Földzaj. 1.1.0. T.
2002-02-20
+ fizikai bemenet
~ 1k
bemeneti inverter
tappancs ~ 50 - 100k föld bus- hold áramkör Földzaj.10. ábra. A bemenet lebegésének kivédésére szolgáló sínállapot-tartó áramkör felépítése Az áramkör működése: - Aktív állapotban az 1 k-s bemeneti ellenálláson keresztül a közös pont a sínen lévő meghajtásnak megfelelő állapotba kerül, és a visszacsatolás ezt az állapotot rögzíti. - Amikor a bemenet vezérlése nem meghatározott, vagyis a sín nagy impedanciás állapotban van, akkor a belső pont állapotát a visszacsatoló kör, a bus-hold áramkör tartja az előzőleg felvett logikai szinten. - A tartó áramkör a bemenő jel fel-lefutását kis mértékben laposabbá teszi, de ez ebben az esetben nem jelent problémát, sőt még előnyös is lehet.
egyes katalógusok így jelölik a tartó áramkört Földzaj.11. ábra.
Földzaj.3. Ellenőrző kérdések: 1. Mi az a Ground Bounce, és hogyan lehet védekezni ellene? 2. Miért szükséges a Bus-hold áramkör? Mutassa be a felépítését! Milyen megoldást lehet még használni helyette? 3. Mit nevezünk OEC–nek. Rajzolja le a felépítését! Mi is a szerepe?
Földzaj.4. Felhasznált irodalom: Digital Design Seminar Texas Instruments 1998
Földzaj.1.1. 6/6
