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    乐鱼体育华体会:数字电路中△ I噪声的发生和特色

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      中的△I噪声正逐渐成为数字体系的首要噪声源之一,因此研讨△I噪声的发生进程与根本特色,对知道△I噪声特性然后按捺△I噪声具有实际意义。

      反相器是数字规划的中心。本文从反相器下手,剖析了TTL和CMOS中△I噪声的发生进程与根本特色。

      TTL反相器的根本电路如图1所示。在安稳状况下,输出Vo分别为高电平VOH和低电平VOL时,电源供给的电流IH和IL是不同的,并且都比较小。取VIL=0.2V、VIH≥3.4V、VBE=0.7V、VCE(sat)=0.1V、VD2=0.7V,依据TTL反相器的作业原理[5],可计算出IH≈1mA、IL≈3.4mA。

      在动态状况下,特别是当输出电平由低向高转化进程中,因T5本来作业在深度饱满状况,故T4的导通必定先于T5的截止,这样就呈现了短时刻内T4和T5一起导通的状况(电源与地之间构成低阻通路),有很大的瞬时电流流经T4和T5,使电源电流呈现尖峰脉冲。

      若在V1从高跳变为低的瞬间,T5没有脱离饱满导通状况而T4已饱满导通,则可计算出电源电流尖峰脉冲的峰值IP1≈34.7mA。

      TTL反相器的输出端存在负载电容CL,当反相器的输出电平由低向高转化时,T4导通、T5截止,电源经T4向CL充电,也构成电源电流尖峰脉冲,其幅值IP2≈CL×△Vo/△t,△Vo和△t分别为反相器的典型输出转化电压和转化时刻。

      当驱动线较长、传输推迟超越脉冲上升时刻时,IP2≈△Vo/Zo,Zo为驱动线的特性阻抗。

      当反相器输出为高电平时,CL上可充电至挨近电源电压;而其输出电平由高向低转化时,T4截止、T5导通,CL经过T5和接地线放电,然后构成地电流尖峰脉冲。

      据CMOS反相器的作业原理可知,在安稳状况下,电源供给的电流极小,一般能够忽略不计;而在动态状况下,假如取VDDVGS(th)N+VGS(th)P,VIH≈VDD,VIL≈0,那么当VI从VIL转化到VIH和从VIH转化到VIL的进程中,都将经过期间短的VGS(th)N〈VI〈VDD-VGS(th)P的状况。在此状况下,TP和TN一起导通,然后在电源与地之间构成瞬时的低阻通路,瞬时电流iT流经TP和TN,构成电源电流尖峰脉冲,如图3所示。

      CMOS反相器的输出端也存在负载电容CL。当CMOS反相器的输出电平由低向高转化时,TP导通、TN截止,电源经TP向CL充电,也构成电源电流尖峰脉冲,如图4中的iP所示;当CMOS反相器的输出电平由高向低转化时,TP截止、TN导通,CL经过TN和接地线放电,也构成地电流尖峰脉冲,如图4中的iN所示。

      综上所述,无论是TTL反相器,仍是CMOS反相器,在动态状况下,都存在三种原因引起的电流尖峰脉冲。前两种原因引起的电流尖峰脉冲经过电源分配网络(PowerDistributionNetwork),并且电流尖峰脉冲会发生叠加,构成更强的电流尖峰脉冲。后一种原因引起的电流尖峰则脉冲则经过接地导线。

      在大多数状况下,无论是TTL门仍是CMOS门,由负载电容充电较之两管一起导通所引起的电流尖峰脉冲所构成的影响大得多。这些电流尖峰脉冲(典型的噪声源)称为△I噪声电流。因为数字电路的电源分配网络和接地导线存在寄生电感和寄生电阻,所以△I噪声电流流过期,即发生△I噪声电压(自感电势和欧姆电压降)。为简洁起见,将△I噪声电流和△I噪声电压都称为△I噪声。

      由△I噪声的发生进程可见,△I噪声是由数字电路的电路结构和作业进程决议的,且是固有的。恰当的器材规划,只能在必定程度上减小(而无法消除)△I噪声[6]。

      以CMOS反相器为例,电源电流尖峰脉冲的强度,一方面由器材的饱满电流决议,因此直接正比于晶体管的尺度;另一方面与输入和输出斜率之比密切相关。因为晶体管的尺度取决于数字IC的工艺,所以下面具体剖析后一种要素的影响。

      考虑到CMOS反相器的输入电平由低向高转化,首要假定负载电容很大,所以输出的下降时刻显着大于输入的上升时刻。在这种状况下,输入在输出开端改动之前就现已经过了过渡区。因为在这一时期CMOS管TP的源-漏电压近似为零,因此TP乃至还没有传导任何电流就断开了。在这种状况下TP的短路电流挨近于零;相反,即负载电容CL十分小,因此输出的下降时刻显着小于输入的上升时刻。TP的源-漏电压在转化期间的大部分时刻内等于VDD,然后引起了最大的短路电流(等于TP的饱满电流)。这代表了最晦气状况下的条件。

      可见,使输出的上升时刻/下降时刻大于输入的上升/下降时刻,可使电源电流尖峰脉冲的强度减小。可是,输出的上升时刻/下降时刻太大会下降电路的速度并在扇出门中引起短路电流。所以,在数字规划时只能认线△I噪声会发生叠加

      数字体系中往往有许多个逻辑门,要对一切逻辑门的作业状况的组合状况进行猜测和剖析是十分困难的,因此一般考虑最晦气的状况,即假定一切的逻辑门在某一固定频率一起向同一方向转化作业状况。因为数字体系中的许多逻辑门一般共用电源,所以当体系中多个逻辑门一起转化作业状况时,它们引起的电流尖峰脉冲将发生叠加,或许引起极强的△I噪声。

      假定CMOS电路板上有100个逻辑门,每个逻辑门的负载电容为10pF,转化时刻为5ns,则一切负载电容一起充电(最晦气的状况)引起的电流峰值为△I=NCL×△V/△t=100×10pF×5V/5ns=1A。

      虽然在数字体系中许多的逻辑门一起转化作业状况的或许性较小,但这种或许性的确存在。数字体系的规划越大,这种或许性也越大,一旦呈现,引起的结果也越严峻。但是,规划越来越大正是数字电路的重要发展趋势之一。

      △I噪声是持续时刻很短的尖脉冲。为剖析其频谱,能够将其近似为三角形脉冲。设E为噪声的强度、tr为逻辑门的上升(或下降)时刻,则三角形脉冲的频谱可写为:

      当逻辑门的上升/下降时刻极短(速度很快)时,△I噪声可近似为冲激函数。冲击函数的频谱曲线为平行于频率轴的一条直线。可见,△I噪声是宽带噪声源。

      △I噪声的本质是瞬变电流脉冲。据有关研讨定论能够揣度,△I噪声一起发生传导打扰和辐射打扰。传导打扰首要经过电源线、信号线、接地线等金属导线传达。电子体系中的许多结构和PCB规划都不可避免地构成各种天线,△I噪声会经过这些天线向外辐射电磁波,构成辐射打扰。

      对△I噪声引起的辐射打扰,首要是短单极天线,λ为波长)形式和小环天线)形式,相对而言后者更重要。

      (1)△I噪声是由数字电路的电路结构和作业进程决议的,恰当的电路规划只能在必定程度上减小(而不或许消除)△I噪声。

      (2)△I噪声是数字电路固有的;数字电路中不同单元发生的△I噪声会发生叠加,电路的规划越大,叠加呈现的或许性也越大,构成的电流尖峰脉冲越强;△I噪声是宽带噪声源,频谱宽度首要由电路的速度决议,速度越高,频谱规模越宽;△I噪声一起发生传导打扰和辐射打扰,电路的速度越高,辐射发射越强。