Помехоустойчивость логических элементов

В реальных условиях на любую цифровую схему действуют импульсные помехи внешнего и внутреннего происхождения. При определенном уровне помехи на входе логического элемента может произойти ложное срабатывание последнего (ложный переход из 0 в 1 или наоборот), что для цифровых систем является крайне нежелательным явлением, т. к. нарушение даже одного двоичного символа в цифровом коде полностью исключает заложенную в нем информацию. Обеспечение помехоустойчивости является сложной задачей, поскольку реакции логического элемента на внешние и внутренние помехи, а также на помехи различной длительности могут быть различны. Влияние помех тем меньше, чем больше логический перепад между низким и высоким уровнем, т. е. чем больше напряжение источника питания. Уровни внутренних помех, являющихся следствием переходных процессов в схеме, наоборот, пропорциональны уровню логического перепада. Если длительность импульса помехи существенно меньше длительности переходного процесса элемента, то ее влияние практически не будет сказываться. Помехи с малой длительностью («иголки») эффективно устраняются шунтированием цепей питания высокочастотными конденсаторами, поэтому рассмотрим влияние статической (медленной) помехи.

Основной статической характеристикой ЛЭ является передаточная характеристика – зависимость U_вых от напряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на остальных входах, равных U⁰ или U¹, в зависимости от типа ЛЭ. На рис. 3.11 представлены передаточные характеристики инвертирующего (НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) и неинвертирующего (И, ИЛИ, и др.) логических элементов.

а

б

Рис. 3.11. Передаточные характеристики ЛЭ:

а – неинвертирующий; б – инвертирующий

Передаточные характеристики имеют три участка. Участок 1 соответствует состоянию U_вых=U⁰, участок 2 – состоянию U_вых= U⁰ и промежуточный участок 3, на котором состояние логического элемента не определено и |d U_вых/d U_вх| > 1. Границы участков определяются точками единичного усиления, в которых выполняется условие |d U_вых/d U_вх| = 1.

Входные напряжения, определяющие границы участков, называются порогами переключения U_пор⁰и U_пор¹. Разность напряжений логической 1 и логического 0 называют логическим перепадом:

U_п = U¹ – U⁰.

Помимо логических сигналов на входах могут появляться напряжения помехи, которые либо повышают, либо понижают входное напряжение. Если на входе действует напряжение U⁰, то опасны помехи, имеющие положительную полярность, eсли U¹– то отрицательную полярность. В этих случаях, при достаточно большом напряжении помехи, рабочая точка может сместиться в область переключения 3 (см. рис. 3.11), что приведет к сбою в работе. Максимально допустимые напряжения помехи показаны на рис 3.11:

U_п⁰ = U_пор⁰– U⁰, U_п¹ = U¹ – U_пор¹.

Для оценки помехоустойчивости ЛЭ, помимо напряжений U_п⁰и U_п¹, используются относительные величины

K_п⁰ = U_п⁰ / U_п, K_п¹ = U_п¹ / U_п,

называемые коэффициентами помехоустойчивости. В тех случаях, когда область переключения узкая, т. е. (U_пор¹ – U_пор⁰) << U_пор, для оценки помехоустойчивости используют средний порог переключения

_пор=(U_пор⁰ + U_пор¹)/2.

Внешним экранированием, рациональным монтажом и применением фильтрующих конденсаторов в цепях питания может быть обеспечено значение помех, меньше допустимых.