數(shù)字電路中△I噪聲的危害
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地線噪聲可能破壞數(shù)字系統(tǒng)的正常工作。例如參考文獻(xiàn)[4]中所述，一個(gè)TTL 八D觸發(fā)器，由單一時(shí)鐘輸入，驅(qū)動(dòng)一組32個(gè)存儲(chǔ)器的芯片組。以每條輸入線5pF負(fù)載電容計(jì)算，每條地址線的容性負(fù)載為160pF。分析可知，地線噪聲可能引起雙重觸發(fā)(誤觸發(fā))。然而，從外部觀測時(shí)鐘輸入，顯示的是一個(gè)完全干凈的信號，錯(cuò)誤只出現(xiàn)在器件封裝內(nèi)部。
測試表明，74HC174(四觸發(fā)器)中單個(gè)觸發(fā)器輸出跳變引起噪聲脈沖VGND大約為150mV，而在74F174上引起的噪聲脈沖VGND是400mV。進(jìn)一步分析可知，這樣大的脈沖足以引起嚴(yán)重問題。
在工程實(shí)踐中，可用下式估算噪聲脈沖VGND的大?。?p>
式中，tr(f)為邏輯器件的上升(或下降)時(shí)間(10%~90%轉(zhuǎn)換時(shí)間)，△V為轉(zhuǎn)換電壓。tr(f)和△V的大小取決于邏輯電路系列的性能指標(biāo)，計(jì)算時(shí)取典型值。
實(shí)際上，這種地線噪聲已成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的主要噪聲源之一，其危害往往嚴(yán)重而復(fù)雜。除了上面的示例外，邊沿觸發(fā)器的輸入線(如復(fù)位和中斷服務(wù)線)也特別容易受到地線噪聲的影響。地線噪聲引起的EMI輻射已成為一些數(shù)字電子產(chǎn)品不能通過相關(guān)的EMC強(qiáng)制測試認(rèn)證的主要原因之一。
2.2 電源線噪聲
由于電源分配網(wǎng)絡(luò)有寄生電感和寄生電阻，因而當(dāng)△I噪聲電流流過時(shí)，便產(chǎn)生噪聲電壓(自感電壓和歐姆電壓降)，即電源線噪聲。
對數(shù)字IC而言，電源線噪聲是電源噪聲的主要來源。
電源線噪聲會(huì)引起電源電壓波動(dòng)。電源電壓波動(dòng)帶來的危害在本文的前面已討論過，故不贅述。
在數(shù)字系統(tǒng)中，地線噪聲的影響較電源線噪聲的影響大。因?yàn)殡娫淳€噪聲可以通過合理使用去耦電容器(decoupling capacitor)予以有效控制，而地線噪聲無法通過去耦的方法來解決。
3 輸出波形畸變和延時(shí)增加
3.1 輸出波形畸變
TTL反相器負(fù)載電容CL的放電回路的等效電阻Req很小[1,2]，這個(gè)回路就成為一個(gè)高Q值的RLC串聯(lián)電路，容易產(chǎn)生振蕩，引起邏輯門的輸出波形畸變(振鈴，ringing)，甚至使輸出電壓從正電壓變成負(fù)電壓。實(shí)際上，負(fù)載電容CL充電時(shí)，充電回路也形成一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路，但由于R4相當(dāng)于串聯(lián)諧振電路中的一個(gè)阻尼電阻(damping resistor)，所以該串聯(lián)諧振電路引起的振鈴不嚴(yán)重，通常不予考慮。
振鈴幅度足夠大時(shí)，就會(huì)在負(fù)載電路(接收端)的輸入端產(chǎn)生非法的電平過渡，使傳送的信息出錯(cuò)，并可能出現(xiàn)影響邏輯設(shè)計(jì)的寄生邏輯狀態(tài)。在有些情況下，振蕩幅度可能超過電壓的極限值，造成器件損壞[8]。
3.2 延時(shí)增加
△I噪聲引起電源電壓降低。由反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理可知，電源電壓降低使反相器的驅(qū)動(dòng)能力降低，進(jìn)而使反相器的延時(shí)增加。
由于數(shù)字電路的輸出端一般都有緩沖器，緩沖器與反相器的結(jié)構(gòu)和性能基本相同，所以△I噪聲將使數(shù)字電路的延時(shí)增加。而且，由于△I噪聲在電源分配網(wǎng)絡(luò)的不同位置引起的電源電壓下降不同，所以對不同位置的緩沖器造成的延時(shí)增加也不同，這將使對數(shù)字電路的時(shí)序分析變得更加復(fù)雜。
4 功耗增加
4.1 TTL反相器功耗增加
根據(jù)TTL反相器電源電流尖峰脈沖波形[1,2]，可求得電源電流尖峰脈沖引起的功耗增加。在計(jì)算時(shí)，因輸出電平由高向低轉(zhuǎn)換的過程中產(chǎn)生的電源電流尖峰脈沖相對很小，故忽略不計(jì)。
為簡化計(jì)算，可將電流尖峰脈沖近似為三角形脈沖，并認(rèn)為尖峰電流的持續(xù)時(shí)間等于傳輸延遲時(shí)間tPHL。如果每個(gè)周期中輸出高、低電平持續(xù)的時(shí)間相等，在考慮電源電流尖峰脈沖的影響之后，電源電流的平均值將為:
式中，IL為輸出為低電平時(shí)的電源電流，IH為輸出為高電平時(shí)的電源電流，IP為電源電流尖峰脈沖的峰值，f為輸入信號的頻率，tPLL為門電路的傳輸延遲時(shí)間。
式(4)中第2項(xiàng)為電源電流尖峰脈沖引起的電源平均電流增加。
對于TTL反相器，已算出IL≈3.4mA、IH≈1mA和Ip=34.7mA[1,2]，并知tPLL=15ns。若輸入電壓信號為f=5MHz的矩形波，且占空比(duty cycle)為50%，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)，可求得此時(shí)電源電流的平均值為ICCAV=3.37mA。這個(gè)結(jié)果比單純地用IL和IH平均所得到的數(shù)值增加了53%。
4.2 CMOS反相器功耗增加
根據(jù)CMOS反相器瞬時(shí)導(dǎo)通電流的波形[1,2]，可求得CMOS反相器瞬時(shí)導(dǎo)通電流引起的功耗。
為簡化計(jì)算，可將電流脈沖近似為三角形脈沖，且認(rèn)為反相器的上升和下降響應(yīng)是對稱的。在這樣的假定下，可求得平均功耗為:
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