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 L szerinti feszültség változást okoz. Következményeként az GND 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
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
V OH V OH Kapcsolt kimenetek Nem kapcsolt aktív alacsony kimenet V OLP-HL V OLP-LH V OL V OLV-HL V OLV-LH Földzaj.4. ábra. Vezéreletlen kimeneteken kialakuló földpattogás kialakulása és az eltérések megadásainak betűnevei. V CONTROL V CC V O 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. V olp < 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
táp föld táp föld táp föld Hagyományos tokozás Centrális föld PLCC tokozás, 20 lábú toknál elrendezés 24 lábú vagy más felület szerelt tok L föld 10 nh keskeny tokozásnál L legrövidebb/leghosszabb L föld 2,5 nh L legrövidebb/leghosszabb egy 40 lábú toknál az egész tokra maximum 1,44 1:20 is lehet 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 NVEZ1 Be 0 Be 1 Földzaj.7. ábra. Egy tri-state sín kialakítása. Segédábra a sínberezgés vizsgálatához. Földzaj.1.1. 4/6
U BE 3V 1,5V U KI [t] U TÁP /2 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. [t] 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
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.3. Ellenőrző kérdések: Földzaj.11. ábra. 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