Классификация

Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является металлическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. Провода в поперечном сечении могут иметь круг или прямоугольник, пленочные и печатные проводники – только прямоугольник. Провода защищаются изолирующими диэлектрическими оболочками, либо оболочками и экранами. По волноводам и волоконно-оптическим линиям передачи передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод) и светового (световод) диапазонов.

На рис. 5.1 приведены виды линий передачи сигналов и конструктивные особенности их исполнения, если читать рисунок из любого места по направлениям стрелок. Например, существует конструктивное исполнение ЛП в виде прямоугольного не изолированного провода или многожильного круглого изолированного провода.

Для повышения производительности труда при сборке ЭА, упрощения электромонтажных работ ЛП объединяют в конструктивно-технологические узлы (рис. 5.2), включающие в свой состав, например, в жгутах до несколько десятков линий. Чтение рисунка из любого места по направлениям стрелок позволяет получить название узла объединения. Например, опрессованный плоский кабель или печатный узел объединения.

Линии электропитания представляют собой объемные провода, пленочные и печатные проводники, либо проводящие пластины. Конструктивное исполнение сигнальных линий передач более разнообразно и во многом определяется частотным диапазоном сигналов, обработку которых осуществляет аппаратура. Лишь оценив характер искажения сигналов в ЛП, можно правильно ее применить.

Все сигнальные линии передачи разделяются на электрически длинные и электрически короткие, характер искажения сигналов в которых различен. Электрически короткой (далее короткой) называют линию передачи, длина которой l_k для гармонического сигнала определяется по выражению

,

где ,  - длина волны и частота сигнала; с - скорость света;  - относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей линию передачи.

При разложении импульсного сигнала в спектр в нем следует выделить гармонику наибольшей частоты и для нее определить длину короткой линии (верхний предел частоты ориентировочно можно найти из f = 0,4/t_ф, где t_ф - минимальное значение фронта импульсного сигнала на уровне 0,1 и 0,9 амплитудного значения сигнала).

Длинную или короткую линию передачи можно установить из соотношения фронта передаваемого импульса t_ф и времени задержки прохождения сигнала по линии t_з. Если имеет место неравенство , то линия передачи электрически короткая, если же сохраняется соотношение , то – электрически длинная.

5.1.1. Электрически короткие линии передачи.

Рис. 5.3. Электрически короткая линия передачи (а), индуктивно-емкостная (б) и емкостная (в) расчетные схемы.

При анализе электрических процессов короткие линии передачи моделируют эквивалентной схемой с сосредоточенными значениями емкости и индуктивности линии. На рис. 5.3а показаны модули 1 и 2, электрически соединяемые короткой линией. Модуль 1, формирующий сигнал, представляется источником напряжения U и последовательно включенным сопротивлением R₁. Модуль 2 является приемником сигнала и моделируется сопротивлением R₂. Величины сопротивлений R₁ и R₂ цифровых схем зависят от состояния 0 или 1, в котором эти схемы находятся.

Эквивалентную схему короткой линии (рис. 5.3б) совместно с сопротивлением R₁ (полагаем, что R₂ велико) можно представить резонансным контуром, в котором могут возникнуть колебания, действующие как помехи. Частота колебаний будет равна

= .

В результате колебательного процесса изменяющееся напряжение может несколько раз пересечь порог срабатывания интегральной схемы (модуля 2 на рис. 5.3), что может привести к многократному изменению ее логического состояния.

Если колебания в линии прекратятся за время, равное минимальной длительности фронта передаваемого по линии сигнала, то они не скажутся на работоспособности аппаратуры. Условие отсутствия колебаний в линии будет при . В этом случае индуктивностью линии можно пренебречь и рассматривать ЛП в виде емкостной схемы замещения (рис. 5.3в).

Реакция линии передачи на синусоидальный входной сигнал состоит в уменьшении амплитуды выходного напряжения и изменении разности фаз между входным и выходным напряжением. Это приводит к зависимости напряжения на выходе линии от частоты входного сигнала.

В общем случае сигналы на входе и выходе ЛП могут существенно отличатся. Если линия передачи нагружается на пороговые схемы, то при подаче на вход ЛП прямоугольного импульса с амплитудой время срабатывание схемы задерживается на величину

,

где - постоянная времени линии; - пороговое напряжение логического элемента.

Если длительность входного импульса много больше , то ЛП передаст импульс практически без искажений. В противном случае линия передачи будет себя вести подобно интегрирующей RC - цепи. Поэтому импульс может исчезнуть, если амплитуда его не достигнет порогового напряжения логического элемента.

Перекрестные помехи вызываются электрическим, магнитным или электромагнитным взаимодействием, расположенных по соседству ЛП (рис. 5.4). Требования микроминиатюризации и, следовательно, увеличения плотности упаковки проводников, ставят перед конструктором важную задачу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную работу аппаратуры.

Рис. 5.4. Перекрестные помехи в коротких линиях передачи: а - электрическая схема; б - расчетная схема.

Помехи на входе и выходе пассивной линии передачи ЛП2 от параллельно расположенной активной ЛП1, по которой передается сигнал (рис. 5.4а), при могут быть записаны в виде:

,

,

где и - соответственно, выходные и входные сопротивления модулей; - емкость и взаимная индуктивность между линиями передачи.

При выводе уравнений принято условие слабой взаимосвязи между линиями, что предполагает одностороннее влияние активной линии на пассивную линию и исключает обратное влияние. Распределенные параметры взаимной индуктивности и емкости заменены сосредоточенными, сопротивления утечки между линиями и сопротивления проводов не учитываются. Модуль 1 моделируется генератором напряжения c при токе . Принятые допущения правомерны для большинства практических случаев.

На рис. 5.4 модули, формирующие сигнал, располагаются слева, приемные модули - справа. На входе приемного модуля 4 возникает помеха , равная разности двух составляющих - емкостной и индуктивной. Если токи формирующих элементов имеют противоположное направление, а приемным элементом будет модуль 3, то на его входе окажется большее напряжение помехи, равное сумме емкостной и индуктивной помех.

Для импульсных сигналов с линейными фронтами, приведенные выше выражения, можно записать следующим образом:

,

,

где - перепады напряжения, тока и длительность фронта импульса соответственно.

Помеха на входе и выходе пассивной линии включает емкостную и индуктивную составляющие, пропорциональные емкости С и взаимной индуктивности М. Анализ приведенных выражений позволяет сделать вывод, что емкостная составляющая возрастает с ростом скорости изменения напряжения на выходе модуля 1 и величин сопротивлений на концах пассивной линии, индуктивная помеха - с ростом скорости изменения , уменьшением суммы и увеличением числа нагрузок на выходе активной линии.

Свойство переключательных схем функционировать при воздействии помех обеспечивается их помехоустойчивостью, которая является мерой способности логических схем не реагировать на помехи и определяется передаточной характеристикой (рис. 5.5).

Статическая помехоустойчивость - максимальная амплитуда помехи (запас помехоустойчивости) для высокого и низкого уровней - определяется из

= , = ,

где - пороговые входные напряжения для логических уровней 1 и 0, при которых происходит переход в область неопределенного состояния логической схемы; - выходные напряжения логических уровней 1 и 0.

Рис. 5.5. Передаточная характеристика.

Точки A и B, а соответственно и напряжения , , находятся на перегибах передаточной характеристики. Параметры статической помехоустойчивости микросхем приводятся в технических условиях на них.

Однако для нормального функционирования цифровых устройств необходимо гарантировать их устойчивость не только к статическим, но и динамическим помехам, когда принимаются во внимание не только амплитуда, но и длительность и форма импульса помехи.

Если вычисленное значение помехи превышает допустимую величину, то принимаются меры по уменьшению значений и .

Уменьшить паразитную емкость между линиями можно сокращением длины совместного расположения проводов, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле (земля будет выполнять функции экрана), введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. Например, заземление оплетки коаксиального кабеля позволит целиком избавиться от емкостной помехи.

Уменьшение взаимной индуктивности достигается уменьшением площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП, использованием экранированных проводов, свитых пар, коаксиальных кабелей.