Элементы цифровых систем, страница 12

          Рассмотренная схема УВХ выпускается в виде ИС КР1100СК2 Она содержит два ОУ с высоким входным сопротивлением (более 10 МОм), ключевую схему управления. Для завершения схемы (УВХ рис. 7.12,б) к ИС К1100СК2 необходимо подключить высококачественный конденсатор С с номинальной емкостью от 20 до 1000 пФ, определяемой временем хранения выбранного напряжения.

6.18. Соединительные линии

          Рассматривая схемы электронных устройств, мы предполагали, что соединительные линии не искажают передаваемые сигналы. Однако это не всегда справедливо. На практике принято считать, что простой провод можно использовать в качестве соединительной линии в случае, если время прохождения сигнала по нему на порядок меньше, чем время нарастания сигнала на выходах источника. Скорость распространения электрических сигналов по проводным линиям составляет от 1/3 до 2/3 скорости света в вакууме. Отсюда следует, что для соединений между ИС стандартных серий допустима длина проводов 10 см. Если длина проводника будет большей, возникнут существенные искажения фронтов импульсов в виде затухающих колебаний. Такие искажения могут быть устранены введением линий с определенным волновым сопротивлением и согласованной нагрузкой – это длинные линии.

          Напомним основные понятия, связанные с длинными линиями.

          Длинная линия – это отрезок проводной линии, длина l которого соизмерима с длиной волны действующего в ней сигнала. Для описания свойств длинных линий пользуются понятиями погонных индуктивности L (Гн/м), емкости С (Ф/м), сопротивления проводов R (Ом/м) и проводимости изоляции между проводами G (См/м). В большинстве практических случаев величинами R и G можно пренебречь, т. е. идеализировать линии. Такие линии характеризуются волновым сопротивлением ; скоростью распространения волны , м/с; или временем задержки на единицу длины , с/м. Если выходное сопротивление R_вых источника сигнала и входное сопротивление R_вх приемника сигнала равны волновому сопротивлению r линии, она называется полностью согласованной. На рис. 6.46 показана схема подключения нагрузки R_н к источнику сигнала e_r через отрезок длинной линии длиной l. В случае полного согласования (R_г = R_н = r) напряжение на входе линии с момента возникновения сигнала e_г и до конца его существования равно u_вх = e_г /2, но оно появляется с задержкой .

          При коротком замыкании выхода отрезка длинной линии (R_н = 0) в момент достижения сигналом места замыкания происходит резкое возрастание тока, и в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея на индуктивности перемычки (L) возбуждается отраженная волна:

  ,                                                                             (6.6)

полярность которой противоположна полярности прямой волны. Достигнув входа, отраженная волна гасит прямую. В результате на входе короткозамкнутого отрезка линии из перепада напряжения (очень длинного импульса) формируется импульс длительностью, равной удвоенному времени задержки

   .                                                                                     (6.7)

Импеданс разомкнутого выхода (R_н =) имеет индуктивный характер (L), производная тока отрицательна, и поэтому возбуждается отраженная волна, полярность которой совпадает с падающей. В результате напряжение сигнала на конце ненагруженного отрезка длинной линии равно э. д. с. источника (е). Когда отраженная волна достигает входа, на нем также устанавливается напряжение, равное э. д. с. источника (е). Если вход линии согласован (R_г = r), то повтороного отражения не происходит. Это позволяет передавать сигналы к приемникам с высокоомным входом без согласования линии на выходе, имея при этом выигрыш по напряжению переданного сигнала (примерно вдвое) по сравнению с вариантом согласованного выхода линии; но при этом обязательно строгое согласование входа (R_г=r). Последнее возможно только в линейных цепях, поэтому при передаче логических сигналов применение метода последовательного согласования (по входу) проблематично, если вообще возможно.

          На печатных платах соединения могут осуществляться полосковыми линиями: соединительные дорожки выполняются на одной стороне платы; вторая сторона, на которой расположены компоненты, металлизируется. Конечно, должны быть предусмотрены небольшие участки для изоляции вывода компонентов. При этом все соединительные дорожки являются полосковыми линиями. Если материал платы (обычно стеклотекстолит) имеет относительную диэлектрическую постоянную e = 5 и толщину d=1,2 мм, то при ширине проводящей дорожки w = 1 мм волновое сопротивление составляет 75 Ом.

          Для межплатных соединений можно использовать коаксиальный кабель. Однако часто используют линию из двух изолированных скрученных проводов, которую называют «витой парой». Пара из двух изолированных проводов диаметром 0,5 мм, свитых с шагом 1 см имеет волновое сопротивление 110 Ом. [16]

          Простейшая схема передачи логических сигналов по витой линии показана на рис. 6.47. Из-за низкоомного нагрузочного сопротивления линии передающий элемент должен обеспечивать большой выходной ток. Такие элементы известны как магистральные усилители (например, К531ЛА16). В качестве приемника целесообразно применять логические элементы типа триггера Шмитта (элементы с гистерезисом) для восстановления фронта импульса.

          Несимметричная линия передачи сигнала (рис. 6.47) относительно восприимчива к внешним помехам. По этой причине в большинстве систем выгодно использовать симметричные линии передачи сигнала. Особенно это касается систем на элементах ЭСЛ.

          Элементы ЭСЛ часто имеют парафазный выход. Поэтому их очень удобно использовать для передачи сигнала по симметричным линиям (рис. 6.48). В качестве приемника используется простой дифференциальный усилитель.