Классификация помех в устройствах на интегральных схемах

Классификация помех в устройствах на интегральных схемах.

Причины возникновения  помех. 

 

    Помехой для вычислительного устройства является внешнее или внутреннее воздействие, приводящих к искажению дискретной информации во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи. Так как информационные сигналы в ЭВМ имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации.

Наиболее успешная борьба с помехами возможна лишь в случае, когда разработки электрических схем и конструкции элементов и узлов неразрывно связаны.

Существует большое  число различного рода помех в  большой или меньшей степени  оказывающих влияние на работу логических, запоминающих и других устройств ЭВМ.

Помехи могут быть классифицированы по причине наведения, характеру проявления и пути распространения (рисунок 1).

Помехи в цепях связи  и сигнальных цепях могут быть оценены в процессе проектирования. Характерные особенности этого  вида помех – относительно малая длительность и большая интенсивность. Существенное отрицательное воздействие оказывают также и менее интенсивные, но более длительные возмущения. Так, скачки напряжения питания на 15% длительностью всего в полпериода промышленной частоты нарушают работу некоторых ЭВМ, а при возмущении больших, чем 20% и длительностью больше чем шесть периодов значительная часть видов ЭВМ работает ошибочно.

В последние годы ведется  интенсивная работа над экономичными и эффективными способами сохранения информации в ЭВМ при аварийных отключениях электропитания. Это особенно важно для управляющих ЭВМ. Отключения энергоснабжения на производственных  предприятиях происходит довольно часто. Так, согласно статистике, частота отключений в год на одно предприятие химической и нефтяной промышленности составляет 10-16, а среднее время простоя 4часа (максимальные простои достигают 60часов).

В ЭВМ чаще всего могут  использоваться потенциальные системы  элементов, в которых состояния  «1» и «0» кодируются соответственно высоким (низким) и низким (высоким) уровнями напряжения. Помеха накладывается на эти напряжения, приводит к ошибочному срабатыванию схем, когда ее амплитуда усиливается по мере распространения вдоль цепочки элементов и связей между ними. Допустимое напряжение помехи на входе элемента равно амплитуде сигнала, отсчитанного от уровня или (в случае кодирования состояния «1» высоким потенциалом, а состояние «0» - низким потенциалом), который приводит к появлению на входе элемента сигнала равной амплитуде. Отсюда максимально допустимое значение помехи на входе элемента для низкого и высокого уровня, соответственно:

U⁰_пом = U_п – U⁰_max; U¹_пом = U_п – U¹_min.

Где U_п – напряжение, при котором коэффициент усиления элемента по напряжению равен единице (порог срабатывания элемента).

 

Борьба с помехами приобретает  всё большую актуальность по следующим  причинам:

 

1. Уменьшается энергетический уровень информационных сигналов из-за повышения частоты и снижения перепада напряжений и увеличивается энергетический уровень внешних помех из-за роста энерговооружённости народного хозяйства;
2. Возрастает взаимное  влияние между элементами линиями связи из-за увеличения плотности размещения элементов и компонентов;
3. Усложняются системы (увеличивается  число внешних устройств, которые содержат большое количество электромеханических устройств, и длин линий связи);
4. Внедрение вычислительной техники во все сферы человеческой деятельности; установка ЭВМ на объектах с высоким уровнем помех (заводах, фабриках, электростанциях, подвижных установках и т.д.) выдвигает на первый план проблемы обеспечения помехоустойчивости.

 

Связи между элементами, узлами и  устройствами современных ЭВМ могут  осуществляться одиночными проводниками объёмного монтажа (монтаж «внавал»); одиночными проводниками над заземлённой  плоскостью; жгутами объёмного монтажа; печатными проводниками; тонкоплёночными и толстоплёночными проводниками; бифелярами («свитыми парами»); гибкими шлейфами; кабелями радио- частотными; кабелями плоскими; полосковыми линиями связи; одиночными проводниками сравнительно большого сечения (струнный монтаж).

 

 В зависимости от соотношений  длительности фронта передаваемого  сигнала и длительности распространения  его по линии связи последние  подразделяют в случае анализа  помех на электрически короткие  и электрически длинные линии.

 

Линия связи считается  электрически короткой линией, если  min{t^1,0, t^0,1}≥2ℓ/u_p

Где t^1,0 и t^0,1 –время спада и нарастания передаваемого сигнала соответственно; ℓ –длинна линии связи; u_p –скорость распространения сигнала линии связи.

На практике принимают

min{ t^1,0, t^0,1}≥(8÷10) ℓ√ε/c₀,

где ε –диэлектрическая постоянная среды; с₀=300000 километров в секунду.

линия связи считается электрически длинной линией, если

max{ t^1,0, t^0,1}≤2ℓ√ε/c₀.

 

Для ЭВМ 3-го поколения  электрические связи в приделах типовых элементов замены (ячеек, модулей) обычно электрически коротки. Свойство электрически коротких линий можно описать цепями с сосредоточенными параметрами.

Для внутрипанельных, межпанельных, межблочных, межстоечных, внутрестоечных связей ЭВМ  обычно применяют линии связи, которые необходимо рассматривать как электрически длинные. Доля электрически длинных линий связи с ростом быстродействия увеличивается. Электрически длинные связи представляют в расчётах распределёнными структурами, для их анализа используют математический аппарат длинных линий.

Помеха для вычислительного  устройства –это внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению  дискретной информации во время её хранения, преобразования, обработки  и передачи.

По характеру воздействия на дискретную информацию помехи в устройствах ЭВМ, выполняемых на интегральных схемах, проявляются как задержки передачи импульсов, искажения фронтов импульсов, искажение формы передаваемых информационных импульсов, искажение уровней передаваемых потенциалов, ослабление амплитуд передаваемых импульсов, постоянные смещение уровней напряжения питания, динамические нестабильности напряжения питания. Причинами, вызывающими задержку передачи импульсов, являются конечная скорость распространения электромагнитных волн в линии связи; искажение фронтов информационных импульсов –емкостной и индуктивный характер линий связи, взаимные наводки  при передачи сигналов, внешние наводки; искажение формы передаваемых импульсов –реактивный характер электрически коротких линий связи, отражая в электрически длинных линиях связи, взаимные внешние наводки; искажение уровней передаваемых потенциалов –взаимные внешние наводки в сигнальных проводниках, динамические и статические падения напряжения в цепях питания; ослабление амплитуд передаваемых импульсов –затухание сигналов в электрически длинных линиях связи; постоянные смещение уровней напряжения питания –конечность омического сопротивления шин «питание» и «земля»; динамической нестабильности напряжения питания –индуктивность шин «питание» и «земля»; колебательный характер переходных процессов в цепях питания при импульсных нагрузках.

Причины возникновения  помех.            Кокарев гр.151

Помехой для вычислительного  устройства является внешнее или  внутреннее воздействие, приводящих к искажению дискретной информации во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи. Так как информационные сигналы в ЭВМ имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Борьбы с помехами приобретает все большую актуальность из-за следующих причин:

1. Энергетический уровень информационных сигналов имеет тенденцию к уменьшению (повышение частоты и снижение перепада напряжения), а энергетический уровень внешних помех непрерывно увеличивается, что обусловлено ростом энерговооруженности народного хозяйства. Так, например, вольт-секундная площадь импульсов в логических элементах ЭВМ первого поколения составляет 6×10^-6 В∙с, в логических элементах ЭВМ второго поколения - примерно 3×10^-6 В∙с, а в элементах ЭВМ третьего поколения – только 0,3×10^-6 В∙с. В тех узлах ЭВМ, где происходит физическое преобразование информации (например, в магнитных запоминающих устройствах), приходится иметь дело ещё меньшими полезными сигналами. Так, вольт-секундная площадь сигналов, снимаемых с ферритового сердечника типа 1,3 ВТ-2×1,4×0,9 будет иметь значение порядка 0,06×10^-6 В∙с. Сигнал со считывающей головки накопителя на магнитных дисках составляет примерно 0,01×10^-6 В∙с. Для сравнения укажем, что вольт-секундная площадь паразитного импульса перенапряжения, получающегося при разрыве тока 100мА, протекающего через индуктивность (например, реле) в 100мкГн, составляет  10×10^-6 В∙с.
2. Увеличение взаимного влияния элементов из-за уменьшения габаритных размеров активных элементов и линий связи между ними, а также увеличения плотности их размещения.
3. Возрастания уровня помех из-за усложнения системы, в частности увеличения числа внешних устройств, которые содержат большое количество электромеханических узлов.
4. Внедрение вычислительной техники во все сферы человеческой деятельности.

Существует большое  число различного рода помех в  большой или меньшей степени  оказывающих влияние на работу логических, запоминающих и других устройств  ЭВМ.

Помехи могут быть классифицированы по причине наведения, характеру проявления и пути распространения (рисунок 1).

Помехи в цепях связи  и сигнальных цепях могут быть оценены в процессе проектирования. Характерные особенности этого  вида помех – относительно малая длительность и большая интенсивность. Существенное отрицательное воздействие оказывают также и менее интенсивные, но более длительные возмущения. Так, скачки напряжения питания на 15% длительностью всего в полпериода промышленной частоты нарушают работу некоторых ЭВМ, а при возмущении больших, чем 20% и длительностью больше чем шесть периодов значительная часть видов ЭВМ работает ошибочно.

В последние годы ведется  интенсивная работа над экономичными и эффективными способами сохранения информации в ЭВМ при аварийных отключениях электропитания. Это особенно важно для управляющих ЭВМ. Отключения энергоснабжения на производственных  предприятиях происходит довольно часто. Так, согласно статистике, частота отключений в год на одно предприятие химической и нефтяной промышленности составляет 10-16, а среднее время простоя 4часа (максимальные простои достигают 60часов).

В ЭВМ чаще всего могут  использоваться потенциальные системы  элементов, в которых состояния  «1» и «0» кодируются соответственно высоким (низким) и низким (высоким) уровнями напряжения. Помеха накладывается на эти напряжения, приводит к ошибочному срабатыванию схем, когда ее амплитуда усиливается по мере распространения вдоль цепочки элементов и связей между ними. Допустимое напряжение помехи на входе элемента равно амплитуде сигнала, отсчитанного от уровня или (в случае кодирования состояния «1» высоким потенциалом, а состояние «0» - низким потенциалом), который приводит к появлению на входе элемента сигнала равной амплитуде. Отсюда максимально допустимое значение помехи на входе элемента для низкого и высокого уровня, соответственно:

U⁰_пом = U_п – U⁰_max; U¹_пом = U_п – U¹_min.

Где U_п – напряжение, при котором коэффициент усиления элемента по напряжению равен единице (порог срабатывания элемента).

Основные причины, вызывающие искажения сигналов при прохождении их по цепям ЭВМ, следующие:

1. Отражения от несогласованных нагрузок и от различных неоднородностей в линиях связи.
2. Затухание сигналов при прохождении их по цепям последовательно соединенных элементов.
3. Ухудшение фронтов и задержки, возникающие при включении нагрузок с реактивными составляющими.
4. Задержки в линии, вызванные конечной скоростью распространения сигнала.
5. Перекрестные помехи.
6. Паразитная связь между элементами через цепи питания и заземления.
7. Наводки от внешних электромагнитных полей.

Степень влияния каждого  из перечисленных факторов на искажение  сигналов зависит от характеристики линий связи, логических элементов  и сигналов, а также от конструктивного  выполнения всей системы и связей, т.е. ЭВМ.

Связи между элементами, узлами и устройства современных  ЭВМ могут осуществляться:

1. Одиночными проводниками объемного монтажа (монтаж «в навал»).
2. Одиночными проводниками над заземленной плоскостью.
3. Жгутами объемного монтажа.
4. Печатными проводниками.
5. Тонкопленочными и толстопленочными проводниками.
6. бифилярами («свитыми парами»).
7. гибкими шлейфами.
8. Кабелями радиочастотными, плоскими.
9. Полосковыми линиями связи.
10. Одиночными проводниками сравнительно большого сечения (струнный монтаж).

В зависимости от соотношения длительности фронта передаваемого сигнала и длительности распространения его по линии связи последние подразделяют в случае анализа помех на электрически короткие и электрически длинные линии.

 

Линия связи  считается электрически короткой линией, если:

min{t^1,0, t^0,1 } ≥ 2l ∕ V_p,

Где t^1,0 и t^0,1 – время спада и нарастания передаваемого сигнала соответственно; l – длина линии связи; V_p – скорость распространения сигнала линии связи.

На практике принимают:

min{t^1,0, t^0,1 } ≥ (8÷10)l√ε ∕ C₀,

Где ε – диэлектрическая постоянная среда; C₀ = 300 000 км ∕ с.

 

Линия связи  считается электрически длинной  линией, если:

min{t^1,0, t^0,1 } ≤ 2l√ε ∕ C₀.

 

Для ЭВМ третьего поколения электрические  связи в пределах типовых элементов  замены (ячеек, модулей) обычно электрически короткие.

Видом проявления внутренних помех  в электрически коротких линиях связи  являются задержки сигналов из-за емкостного и индуктивного характера линии  связи, емкостные и индуктивные  наводки между сигнальными проводниками.

 

Для внутрипанельных, межпанельных, межблочных, межстоечных, внутрестоичных связей ЭВМ обычно применяют электрически длинные.

Видом проявления внутренних помех в электрически длинных  линиях связи являются задержки передачи сигналов, искажение формы передаваемых сигналов из-за отражений, наводки между линиями связи, затухание сигналов.

 

 

 

 

Электрически  короткие линии передач

 

Промодулируем линию передач эквивалентной  схемы, которая состоит из индуктивности (L) и емкости (С) или же из одной емкости сконцентрированной в одной точке.