Современная электроника №5/2024

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 25 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 5 / 2024 вает ограничения на длину соедини - тельной линии и предъявляет жёст - кие требования к помехоустойчивости системы , использующей последова - тельный интерфейс . Помехоустойчивость системы , использующей последовательный интерфейс , зависит от многих фак - торов : частоты и формы импульсов транслируемого сигнала , времени между изменениями уровней ( скваж - ности ) импульсов , удельной ёмкости проводников линии , входящих в жгут , эквивалентного сопротивления линии , а также входного сопротивления при - ёмников сигнала и выходного сопро - тивления драйверов . Известно , что главным критери - ем помехоустойчивости являет - ся значение порогового напряжения переключения логических элементов [3]. За пороговое напряжение пере - ключения инвертирующего логиче - ского элемента принимается такое значение , при котором на выходе элемента устанавливается напряже - ние , равное входному . Для микросхем ТТЛ - структуры ( серии К 155) это зна - чение составляет примерно 1,1 В при типовом значении напряжения пита - ния 5 В [3]. Применение таких микро - схем в устройствах передачи и приёма данных по длинным несогласованным линиям не позволяет получить прием - лемой помехоустойчивости даже при работе на линии небольшой длины (5 м ). Дело в том , что многократные отражения сигнала , амплитуда кото - рых даже незначительно превыша - ет значение порогового напряжения переключения логических элементов (1,1 В ), приводят к многократному переключению выходных регистров , а значит , к ошибкам передачи дан - ных . Применение более совершенных ИМС ТТЛШ - структуры ( серии КР 1533) не решает проблемы , поскольку поро - говое напряжение для них ненамного больше и составляет всего 1,52 В при стандартном напряжении питания [3]. Чтобы частично скомпенсировать отражённый сигнал , часто использу - ют обычные RC- фильтры ( так называе - мые интегрирующие цепочки ), но они же сами и вносят искажения в пере - даваемый сигнал , искусственно уве - личивая времена нарастания и спада фронтов сигнала . Поэтому такой спо - соб малоэффективен и в конечном счё - те приводит только к увеличению сум - марной паразитной ёмкости линии , что создаёт дополнительную нагруз - ку на микросхемы трансляторов сиг - налов на передающей стороне линии . Есть и ещё одна проблема , связанная с применением RC- фильтров . С уве - личением времён нарастания и спа - да фронтов сигнала увеличивается и время « пребывания » управляющего сигнала вблизи « опасного » порогово - го уровня напряжения переключения логического элемента , что , в свою оче - редь , приводит к возрастанию вероят - ности ложного переключения выход - ного регистра под действием сигнала помехи . В случае применения микро - схем структуры КМОП серии КР 1564 симметричные передаточные характе - ристики обеспечивают помехоустойчи - вость на уровне 45% от напряжения источника питания , что близко к иде - альному значению (50%), причём поме - хоустойчивость системы возрастает с увеличением напряжения источника питания , поскольку возрастает ампли - туда транслируемого сигнала . Современная элементная база – быстродействующие КМОП - микросхемы , обладающие высокой нагрузочной спо - собностью и максимальной помехо - устойчивостью ( их пороговое напряже - ние переключения практически равно половине напряжения питания ), – позво - ляют построить СДУ с последователь - ным интерфейсом , длина соединитель - ных линий которого , учитывая участки , соединяющие регистры выносной гир - лянды , может достигать 100 м даже при использовании обычной витой пары ( никаких экранированных проводни - ков !). Кроме того , для трансляции сиг - налов в линию использованы мощные буферные элементы с триггерамиШмит - та типа КР 1554 ТЛ 2, высокая нагрузочная способность которых позволяет непосред - ственно управлять ёмкостнойнагрузкой . Эффекты влияния длинных несогла - сованных линий начинают проявлять - ся , когда времена задержек распростра - нения сигнала вдоль линии и обратно начинают превосходить длительность фронтов нарастания и спада сигнала . Любые несоответствия между экви - валентным сопротивлением линии и входным сопротивлением логического элемента на приёмной стороне линии или выходного сопротивления драйве - ра на передающей стороне приводят к многократному отражению сигнала . Типовое значение времён нарастания и спада фронтов сигнала для микро - схем серии КР 1564 составляет менее 5 нс , поэтому эффекты влияния длин - ных несогласованных линий начинают проявляться при её длине в несколько десятков сантиметров . Зная характеристики линии переда - чи , такие как полная входная ёмкость и удельная ёмкость на единицу дли - ны , можно вычислить время задерж - ки распространения сигнала по всей длине линии . Типовое значение време - ни задержки распространения сигнала обычно составляет 5–10 нс / м . Если дли - на соединительной линии достаточно велика и длительность фронтов нарас - тания и спада сигнала достаточно мала ( т . е . высока крутизна ), несоответствие эквивалентного сопротивления линии и входного сопротивления логического КМОП элемента на приёмной стороне создаёт отражение сигнала , амплитуда которого зависит от мгновенного зна - чения напряжения , приложенного ко входу элемента , и коэффициента отра - жения , который , в свою очередь , зави - сит от эквивалентного сопротивления линии и входного сопротивления вход - ного логического элемента . Поскольку входное сопротивление элементов микросхем серии КР 1564 многократно превосходит эквивалент - ное сопротивление линии , выполнен - ной витой парой или экранированным проводником , отражённое напряже - ние на входе приёмника удваивается . Этот отражённый сигнал распростра - няется вдоль линии обратно к передат - чику , где он вновь отражается , и про - цесс повторяется до полного затухания сигнала . Преимущество микросхем струк - туры КМОП , благодаря их высо - кой нагрузочной способности ( серия КР 1554), заключается в возможности непосредственно управлять нагруз - кой , имеющей ёмкостный характер . Сбалансированные ( симметричные ) вольтамперные передаточные харак - теристики элементов этих микросхем позволяют получить практически оди - наковые времена фронтов нараста - ния и спада сигнала . Кроме того , для трансляции сигналов в линию и приё - ма можно использовать буферные эле - менты на основе триггеров Шмитта , которые восстанавливают строго пря - моугольную форму искажённого сиг - нала и тем самым исключают лож - ное срабатывание регистров . Кроме того , наличие гистерезиса на переда - точной характеристике ( при напряже - нии питания 5 В для ИС КР 1564 ТЛ 2 это значение составляет примерно 400 мВ ) создаёт дополнительный запас поме - хоустойчивости [3].