8.8. Сбои и ловушки цифровых схем

Тупиковые состояния и начальная установка, логические гонки, метастабильность, перекос тактов и укороченные импульсы, «неопределённые правила», врождённые болезни ТТЛ и КМОП: токи входов, «подскок» земли, защёлкивание, плавающие входы, питание через вход.

≈ 31 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

Цифровая схема, собранная по правилам, обычно работает сразу. Но «обычно» — не «всегда», и неисправности цифровой техники бывают на редкость загадочными: прибор неделю работает безупречно, а потом зависает; сбой пропадает, стоит поднести к плате щуп осциллографа; новая партия микросхем «той же» марки ведёт себя иначе. Почти за каждой такой историей стоит одна из немногих типовых причин. Одни — тупиковые состояния, гонки, метастабильность — не зависят от типа логики. Другие — врождённые особенности конкретного семейства, как тиристорное защёлкивание КМОП.

Ниже мы разбираем эти причины на примерах неисправностей, какие встречаются в жизни: описываем симптом, ищем механизм и выписываем лекарство. Если вы когда-нибудь будете в тупике с «необъяснимым» сбоем, пройдитесь по этому списку.

Два рода ловушек

	Любая логика	Конкретное семейство
Примеры	тупиковые состояния, гонки, метастабильность, перекос тактов, укороченные импульсы	токи входов ТТЛ, «подскок» земли AC/ACT, защёлкивание и плавающие входы КМОП
Где в разделе	первые два пункта	третий пункт

8.8.1Состояния, из которых нет выхода

≈ 6 мин2 упр.

Главное

Все комбинации триггеров вне рабочего цикла — потенциальные тупики: логика должна сама выводить из них схему.
Минимум — сигнал начальной установки: RC-цепь + инвертор с триггером Шмитта, $t = RC ln \frac{1}{1 - 0 , 6}$ .
Диод разряжает конденсатор при пропадании питания; резистор последовательно со входом КМОП защищает входной диод.

Симптом: гирлянда «застыла». Самодельная ёлочная гирлянда «бегущий огонь» сделана на трёхразрядном счётчике Джонсона: шесть фаз, огонёк красиво бежит по кругу. Однажды, когда в соседней комнате включили пылесос, гирлянда перешла на странный режим — две картинки попеременно, и так до утра. Помогло только выдернуть вилку из розетки.

Механизм. Из трёх триггеров получается восемь комбинаций, а рабочий цикл использует шесть. Две оставшиеся, 010 и 101, тоже переходят друг в друга по тем же правилам — образуют свой маленький паразитный цикл. Помеха по питанию перебросила триггеры в одну из этих комбинаций, и вернуться в рабочий цикл схема уже не может: правила переходов просто не ведут туда.

3-разрядный счётчик Джонсона (

D_{0} = \overline{Q_{2}}

, запись

Q_{0} Q_{1} Q_{2}

): из 8 комбинаций рабочих 6. Помеха может перебросить счётчик в 010 или 101 — и он навсегда застрянет в чужом цикле 010 ↔ 101, если логика или сброс его оттуда не выведут.

Правило. Проектируя автомат или счётчик, выпишите все комбинации триггеров, не входящие в рабочий цикл, и проверьте, куда из них ведут переходы. Логику стройте так, чтобы из любой лишней комбинации схема сама за несколько тактов возвращалась в рабочий цикл (самокоррекция). Как минимум нужен сигнал начальной установки — от кнопки, при включении питания, от сторожевого таймера; часто его одного достаточно.

Упражнение 8.8.1

Счётчик Джонсона (регистр сдвига, у которого на вход первого триггера подан инверсный выход последнего: $D_{0} = \overline{Q_{k - 1}}$ ) из k триггеров проходит рабочий цикл из 2k состояний. Сколько комбинаций не входит в рабочий цикл у трёхразрядного счётчика гирлянды? А у шестиразрядного, который управляет двенадцатью светодиодами?

3 разряда =6 разрядов =

Решение

Всего $2^{k}$ комбинаций, рабочих $2 k$ : для $k = 3$ лишних $8 - 6 = 2$ (те самые 010 и 101), для $k = 6$ — $64 - 12 = 52$ . Лишние состояния образуют свои паразитные циклы, и чем длиннее счётчик, тем больше шансов, что помеха забросит его туда. Лекарство — самокорректирующая логика: например, подать на вход первого триггера не просто $\overline{Q_{k - 1}}$ , а функцию, которая на рабочих состояниях совпадает с ней, а запрещённые комбинации выталкивает в рабочий цикл. Так сделано в микросхеме 4017 — пятиразрядном счётчике Джонсона с дешифратором на десять выходов.

Симптом: после «мигания» света прибор не запускается. Контроллер котла прекрасно стартует, если его надолго выключить. Но после короткого провала сети (свет моргнул на полсекунды) индикатор показывает ерунду, реле щёлкают невпопад, и помогает только повторное выключение на минуту.

Механизм. Цифровая система в момент включения находится в случайном состоянии, и в порядок её приводит сигнал начальной установки. Его обычно делают RC-цепью: пока конденсатор заряжается, держится СБРОС. Если питание пропало ненадолго, конденсатор не успевает разрядиться — при повторном включении сброса не будет. Есть и вторая беда: напряжение на конденсаторе растёт медленно, и обычный вентиль на таком входе может «дребезжать», выдавая несколько импульсов сброса подряд.

Лекарство — правильная цепь сброса.

123456

Сброс при включении питания: конденсатор заряжается через резистор, инвертор с гистерезисом чисто отпускает СБРОС, диод быстро разряжает конденсатор при пропадании питания.

Что здесь что (6)

Резистор 47 кОм. вместе с конденсатором задаёт длительность сброса $τ = RC$
Конденсатор 10 мкФ. при включении разряжен: на входе инвертора 0 — идёт сброс
Диод. при пропадании питания быстро разряжает конденсатор — следующее включение снова даст сброс
Резистор 1 кОм. только для КМОП: ограничивает ток через защитный диод входа, когда питание пропало, а конденсатор ещё заряжен
Инвертор с триггером Шмитта. чисто переключается на медленно нарастающем напряжении, без дребезга
СБРОС и СБРОС. оба уровня — для микросхем с активным высоким и активным низким сбросом

Каждая деталь здесь отвечает за свой симптом. Диод параллельно резистору разряжает конденсатор в шину питания, как только та просела, — и следующее включение снова даст полноценный сброс. Инвертор с триггером Шмитта (значок гистерезиса на рисунке: ТТЛ 74LS14, КМОП 40106, 74C14, 'HC14 или 4093) отпускает СБРОС один раз и чисто, как бы медленно ни нарастало напряжение. Резистор последовательно со входом нужен в КМОП-схемах: когда питание выключено, а конденсатор ещё заряжен, он пытался бы «питать» микросхему через защитный диод её входа и мог бы этот диод повредить.

Длительность сигнала начальной установки

t_{сбр} = RC ln \frac{1}{1 - U _{пор} / U _{cc}}

Обозначения:

t_{сбр}

RC

U_{пор}

Упражнение 8.8.2

В цепи сброса 47 кОм и 10 мкФ, питание КМОП-логики 5 В включается скачком, порог триггера Шмитта при нарастании — $0, 6 U_{cc}$ . Через сколько после включения снимется СБРОС? При выключении питание быстро падает до нуля, а конденсатор заряжен до 5 В; пусть ток идёт через резистор 1 кОм и защитный диод входа (0,6 В) в шину питания. Каков этот ток?

время сброса =сток через вход =мА

Решение

$τ = RC = 47 \cdot 1 0^{3} \cdot 10 \cdot 1 0^{- 6} = 0, 47$ с. Напряжение $U (t) = U_{cc} (1 - e^{- t / τ})$ достигает $0, 6 U_{cc}$ при $t = τ ln \frac{1}{1 - 0 , 6} = 0, 47 \cdot 0, 916 \approx 0, 43$ с.

При выключении: $I = (5 - 0, 6) /1000 = 4, 4$ мА — безопасно для защитного диода (обычно допускают 10–20 мА). Без резистора ток ограничивало бы лишь внутреннее сопротивление конденсатора — сотни миллиампер. На деле большую часть заряда забирает диод параллельно резистору 47 кОм, и ток через вход ещё меньше.

8.8.2Когда всё решают наносекунды

≈ 11 мин3 упр.

Главное

Входы триггеров должны меняться после фронта и успевать установиться к следующему; перекос тактов рождает гонки.
Нарушение времени установки → метастабильность; лекарство — цепочка из 2–3 триггеров, MTBF растёт как $e^{t_{р} / τ}$ .
Затянутый фронт такта + разброс порогов КМОП (⅓–⅔ $U_{cc}$ ) = перекос тактов и потеря битов.
Укороченные импульсы и «неопределённые правила» ('74 в 74C, время восстановления) — проверяйте худший случай и документацию.

Логические гонки. Самая коварная ловушка — когда исход зависит от того, какой из двух сигналов придёт раньше. Типичная ситуация: вентиль управляется выходом триггера, а сам вентиль подаёт такт или данные на другой триггер. В момент фронта вентиль открыт, но через задержку триггера закроется — и успеет ли такт «проскочить», решает соотношение задержек конкретных экземпляров микросхем при данной температуре. На столе схема работает, в мороз — нет. Классический пример такой ситуации — синхронизатор асинхронного сигнала, который мы разбирали в разделе 8.4.

Правило. В синхронной схеме входы триггеров меняются только после тактового фронта и успевают установиться к следующему — в этом её главное преимущество. Задержки в тактовых цепях (перекос тактов) разрушают это правило и рождают гонки. Если что-то и приходится задерживать, задерживайте так, чтобы данные гарантированно стояли неподвижно в окне «установка — удержание» вокруг фронта. Проглядеть гонку необычайно легко — проверяйте каждое место, где такт проходит через логику.

Окно «установка — удержание»: в интервале от

t_{уст}

до фронта и

t_{уд}

после него вход триггера должен стоять неподвижно. Синхронная схема меняет входы сразу после фронта — далеко от окна.

Симптом: энкодер раз в несколько часов сбивается. Ручка громкости с инкрементным энкодером работает идеально, но иногда громкость сама прыгает на случайное значение. Сигналы энкодера поступают в синхронную схему (или в программируемую логику) прямо, без синхронизации.

Механизм — метастабильность. Триггер гарантированно записывает вход, только если тот не менялся в течение времени установки $t_{уст}$ до фронта (и времени удержания после). Асинхронный сигнал рано или поздно сменится именно внутри этого окна. Тогда триггер может «зависнуть» в промежуточном состоянии: выход застревает около логического порога и лишь спустя случайное время уходит в 0 или 1. В худшем случае это несколько микросекунд — при нормальной задержке элементов ТТЛ около 20 нс. Если за это время выход успели прочитать два разных узла, один увидит 0, другой 1, и схема окажется в невозможном состоянии.

Обычно проблемой пренебрегают, и для медленных систем это оправданно. Но в быстрых системах, где асинхронные сигналы синхронизируются постоянно, она вполне реальна. Метастабильности часто приписывают таинственные сбои компьютеров; к таким объяснениям стоит относиться скептически и сначала проверить более прозаические причины — но и исключать её нельзя.

Нарушено время установки: D сменился внутри окна установки (ближе чем за t_уст до фронта). Выход может надолго зависнуть около порога и лишь потом случайно уйти в 0 или 1.

Совет. Лекарство — цепочка синхронизаторов: два-три триггера подряд на одном такте, каждый получает целый период на «успокоение» предыдущего. Встречаются и «детекторы метастабильности», сбрасывающие зависший триггер, но цепочка проще и надёжнее.

Среднее время между сбоями синхронизатора

MTBF = \frac{e ^{t_{р} / τ}}{T _{0} f _{c} f _{d}}

Обозначения:

t_{р}

τ, T_{0}

f_{c}

f_{d}

Каждая лишняя наносекунда на «успокоение» умножает MTBF на

e^{1/ τ}

— поэтому второй триггер решает проблему.

Модель: синхронизатор — MTBF в зависимости от времени на «успокоение»

Упражнение 8.8.3

Сигнал энкодера (меняется в среднем $f_{d} = 2$ МГц — с учётом дребезга контактов) поступает в схему с тактом $f_{c} = 50$ МГц. Параметры триггера: $τ = 0, 4$ нс, $T_{0} = 0, 2$ нс. Выход единственного триггера-синхронизатора читается уже через 6 нс после фронта. Найдите MTBF по формуле выше (в секундах). На сколько порядков ( $l g$ ) он вырастет, если поставить второй триггер, т. е. добавить целый период такта (20 нс)?

MTBF =сlg выигрыша =

Решение

$T_{0} f_{c} f_{d} = 0, 2 \cdot 1 0^{- 9} \cdot 5 \cdot 1 0^{7} \cdot 2 \cdot 1 0^{6} = 2 \cdot 1 0^{4} с^{- 1}$ . $e^{6/0, 4} = e^{15} \approx 3, 27 \cdot 1 0^{6}$ , $MTBF \approx 3, 27 \cdot 1 0^{6} /2 \cdot 1 0^{4} \approx 163$ с — сбой каждые несколько минут.

Второй триггер добавляет 20 нс: выигрыш $e^{20/0, 4} = e^{50}$ , $l g e^{50} = 50 \cdot 0, 434 = 21, 7$ . MTBF становится порядка $1 0^{24}$ с — гораздо больше возраста Вселенной. Один дополнительный триггер превращает «сбой раз в несколько минут» в «никогда».

Симптом: картинка «съезжает» на пиксель. Светодиодная матрица собрана из двух плат на регистрах сдвига, соединённых метровым шлейфом. Такт для обеих плат идёт от выхода КМОП-микросхемы серии 4000. Правая половина изображения иногда сдвинута на один столбец.

Механизм — перекос тактов из-за затянутого фронта. Выход КМОП (особенно старых серий) имеет заметное выходное сопротивление — сотни ом, у 4000B при питании 5 В около 500 Ом. Ёмкость длинного шлейфа и многих входов превращает фронт такта в пологую экспоненту. А пороги срабатывания КМОП-входов разбросаны очень широко — от 1/3 до 2/3 $U_{cc}$ , и реально бывают какими угодно в этих пределах. Если порог первого регистра ниже, он сдвинет раньше, его последний бит сменится до того, как второй регистр «увидит» фронт, — и второй запишет уже новое значение. Один бит теряется, картинка съезжает. На КМОП это проявляется сильнее, чем на ТТЛ: у ТТЛ и выход «крепче», и пороги стабильнее.

123456

Две платы матрицы на общем такте: выходное сопротивление КМОП и ёмкость шлейфа делают фронт пологим, и регистры с разными порогами сдвигают в разные моменты.

Что здесь что (6)

Регистр №1. его порог может оказаться ниже — он сдвинет раньше
Регистр №2. порог выше: «увидит» фронт позже и запишет уже новый бит соседа
Последовательная связь. последний бит №1 → вход №2: именно он и теряется
Ёмкость линии C_пар. длинный провод и много входов затягивают фронт: $τ = R_{вых} C$
Такт от КМОП. выходное сопротивление — сотни ом
Два порога. ⅓ и ⅔ $U_{cc}$ — фронт пересекает их в разные моменты

Перекос тактов от затянутого фронта

Δ t = τ ln \frac{1 - U _{1} / U _{cc}}{1 - U _{2} / U _{cc}} = τ ln 2 (U_{1} = \frac{1}{3} U_{cc}, U_{2} = \frac{2}{3} U_{cc})

Обозначения:

τ

U_{1}, U_{2}

Если

Δ t

больше минимальной задержки «такт → выход» первого регистра, бит теряется.

Упражнение 8.8.4

Такт матрицы идёт от выхода с сопротивлением 400 Ом и нагружен ёмкостью 150 пФ (шлейф и входы двух плат). Пороги регистров — $U_{cc} /3$ и $2 U_{cc} /3$ . На сколько различаются моменты их срабатывания? Потеряется ли бит, если минимальная задержка «такт → последовательный выход» первого регистра 12 нс?

перекос =нс

Решение

$τ = 400 \cdot 150 \cdot 1 0^{- 12} = 60$ нс. Порог $U_{cc} /3$ достигается при $t_{1} = τ ln \frac{3}{2} = 24, 3$ нс, порог $2 U_{cc} /3$ — при $t_{2} = τ ln 3 = 65, 9$ нс. Разница $τ ln 2 = 41, 6$ нс — больше 12 нс: последний разряд первого регистра сменится раньше, чем второй регистр «увидит» фронт, и бит будет потерян. Лекарства: буфер с гистерезисом (например, 'HC14) на входе такта каждой платы, мощный драйвер такта, короткие тактовые линии; надёжнее всего — передавать такт и данные так, чтобы данные менялись по противоположному перепаду.

Совет. Лучшая профилактика — располагать тактируемые корпуса рядом и не нагружать тактовую линию большой ёмкостью.

Ловушка. С тактовыми входами любых микросхем обращайтесь бережно. Такт с шумом или «звоном» сначала «очистите» вентилем (лучше с гистерезисом), а потом подавайте на тактируемый кристалл. Особенно коварны такты, приходящие с другой платы или от другого логического семейства: медленная логика 4000B или 74C, тактирующая быстрые HC или AC, почти наверняка даст перекос тактов или многократные срабатывания на одном фронте.

Укороченные импульсы. Мы уже встречали их в разделе 8.7: счётчик, который сбрасывает или перезагружает сам себя асинхронно, порождает импульс длиной в сумму задержек. То же касается импульсов загрузки счётчиков и регистров сдвига, импульсов, «вырезанных» вентилем из такта, и т. п. Укороченный импульс одна часть схемы замечает, другая — нет.

Ловушка. Укороченные импульсы — неиссякаемый источник неприятностей: схема работает «на грани» и время от времени сбоит. Считайте задержки по наихудшему случаю, а лучше устраняйте такие импульсы синхронной загрузкой и сбросом.

Симптом: «такую же» микросхему поставили из другой серии — и схема сломалась. Пока полупроводниковая промышленность шла от резисторно-транзисторной логики 1960-х через ТТЛ и ТТЛШ к современным КМОП, значение единообразия цоколёвки, параметров и функций было понято не сразу. Наследство той эпохи — набор «неопределённых правил», которые приходится знать.

У 7400 (четыре И-НЕ) одна цоколёвка вентилей, у 7401 (те же И-НЕ, но с открытым коллектором) — другая. Путаница была такой, что выпустили «мутанта» 7403 — тот же 7401, но с цоколёвкой 7400.
У двоично-десятичного счётчика 7490 выводы питания посередине корпуса, а не в углах. (Забавно, что средние выводы питания «вернулись» в быстрых КМОП — ради меньшей индуктивности и лучшей развязки.)
D-триггер '74 есть в каждом семействе. Если одновременно подать активные уровни на установку и сброс, оба выхода станут высокими — во всех семействах, кроме 74C, где оба выхода станут низкими. Это не совсем «неопределённое» правило — в хорошей документации разница указана, — но на жаргоне такое называют «попался!» (gotcha).
'96 — 5-разрядный регистр сдвига с хитрыми входами загрузки: ими разряды можно установить в 1, но нельзя сбросить.

7400 / 7401разная цоколёвка

7403«мутант»

7490питание посередине

'74 в 74CS = R = 1 → оба выхода 0

'96загрузка только в 1

По-настоящему неопределённым и очень важным долго оставался параметр время восстановления (recovery time) — сколько нужно выждать после снятия асинхронного сигнала (сброса или установки), чтобы следующий тактовый фронт гарантированно сработал. Разработчики схем всегда хотели его знать, но в документации он появился лишь тогда, когда около 1980 г. старые семейства вытеснили улучшенные ТТЛШ и быстрые КМОП.

Правило. Если работаете со старой логикой (например, 74C), будьте консервативны: считайте время восстановления равным времени установки данных, хотя обычно оно меньше. Для сравнения, у D-триггера 74HC74 минимальное время восстановления 5 нс, а время установки данных — 20 нс.

Упражнение 8.8.5

Схема начальной установки при включении питания на мгновение подаёт активные уровни сразу на вход установки и на вход сброса D-триггера '74, а затем снимает оба одновременно. Что будет на выходах во время действия сигналов и после их снятия?

Решение

Внутренние вентили И-НЕ (в 74C — ИЛИ-НЕ) при одновременно активных асинхронных входах дают одинаковые уровни на обоих выходах: высокие в ТТЛ-подобных семействах и низкие у 74C. А при одновременном снятии сигналов триггер оказывается в гонке «кто отпустит первым», и его состояние случайно. Если схема сброса так устроена, перепроектируйте её: подавайте на каждый триггер только один из асинхронных входов.

8.8.3Врождённые слабости ТТЛ и КМОП

≈ 14 мин3 упр.

Главное

ТТЛ: вход в нуле — источник тока (0,25–0,6 мА), порог близко к земле, жёсткое питание 5 В ± 5 % и шунтирование 0,1 мкФ на корпус.
КМОП: статика, разброс порогов, неподключённые входы — всегда к шине.
Быстрые AC/ACT: «подскок» земли $U = L d I / d t$ до 1–2 В; если скорость не нужна — HC/HCT.
КМОП-аномалии: тиристорное защёлкивание, коварные отказы, питание через вход.

Сначала — особенности, которые просто доставляют неудобства и которые надо учитывать с самого начала. Потом — настоящее «ненормальное» поведение, при котором схема ведёт себя так, будто нарушены законы физики.

Неудобства двух семейств

	Биполярная ТТЛ	КМОП
Вход в низком состоянии	источник тока 0,25–0,6 мА	ток практически нулевой
Порог	близок к земле — чувствительна к помехам	от ⅓ до ⅔ $U_{cc}$ , большой разброс
Питание	+5 В ± 5 %, немалая мощность	широкий диапазон, малая мощность
Главная беда	помехи по питанию и земле	статика, защёлкивание, плавающие входы
Выходное сопротивление	низкое	200–500 Ом

ТТЛ: с чем приходится мириться

Симптом: кнопка с RC-фильтром «не нажимается». К входу LS-ТТЛ подключили кнопку и RC-фильтр от дребезга: резистор 10 кОм на землю, кнопка к +5 В, конденсатор 1 мкФ. На КМОП такая цепь работает, а здесь вход всегда воспринимается как единица, нажимай не нажимай.

Причина — в устройстве входа ТТЛ. В низком состоянии он не «ничего не потребляет», как КМОП, а сам является источником тока: около 0,25–0,4 мА у LS и 0,5–0,6 мА у F. Этот ток, протекая через резистор 10 кОм, поднимает вход до нескольких вольт — выше порога. Поэтому RC-цепочки на входах ТТЛ должны быть низкоомными, а сигналы линейных схем к ним надо подключать с оглядкой.

Почему RC-цепи на входах ТТЛ низкоомные

R \leq \frac{Δ U}{I _{вх}}

Обозначения:

R

Δ U

I_{вх}

Упражнение 8.8.6

Вход в низком состоянии отдаёт до 0,4 мА у LS-ТТЛ и до 0,6 мА у F-ТТЛ. RC-цепь должна держать вход не выше 0,5 В, т. е. с подъёмом не больше 0,3 В над землёй. Каково наибольшее сопротивление резистора на землю для LS и для F? Какая ёмкость понадобится в LS-варианте для постоянной времени 1,5 мкс?

R для LS =ОмR для F =ОмC =нФ

Решение

$R \leq 0, 3 В /0, 4 мА = 750$ Ом для LS и $0, 3/0, 6 мА = 500$ Ом для F. Для $τ = 1, 5$ мкс при 750 Ом нужно $C = 2$ нФ. На КМОП тот же интервал получился бы с 1 МОм и 1,5 пФ — вот почему RC-задержки на ТТЛ громоздки и неточны (к тому же входной ток зависит от экземпляра и температуры). А кнопку из примера правильно подключать наоборот: резистор к +5 В, кнопка на землю.

Порог ТТЛ близок к земле (так же и у имитирующих её серий HCT и ACT), поэтому семейство заметно чувствительно к помехам (подробнее — в разделе 9.2). Будучи быстрым, оно «замечает» короткие выбросы на шине земли, которые само же и порождает быстрыми переключениями.
Требования к питанию жёсткие: +5 В ± 5 % при немалой мощности. Выходы с активной нагрузкой при переключении создают броски тока в шинах питания, поэтому питание шунтируют — в идеале керамическим конденсатором 0,1 мкФ у каждого корпуса.

1234

Развязка питания: керамический конденсатор с короткими выводами прямо у корпуса и кратчайший путь к низкоиндуктивной земле.

Что здесь что (4)

Микросхема. выходы с активной нагрузкой дают броски тока в шинах питания
Конденсатор 0,01–0,1 мкФ. керамический, с короткими выводами — у каждого корпуса
Короткая связь с землёй. чем короче, тем меньше индуктивность и броски напряжения
Земляной полигон. низкоиндуктивная шина земли

КМОП: с чем приходится мириться

Статическое электричество. Входы и выходы КМОП боятся разрядов: зимой, в сухом воздухе, «смертность» КМОП действительно подскакивает. Новые семейства с поликремниевыми затворами (HC(T), AC(T)) чувствительнее предков с металлическими затворами. Браслет заземления и антистатический коврик — не прихоть.
Разброс порогов и высокое выходное сопротивление (200–500 Ом) — источник перекоса тактов, который мы разобрали выше; на медленно нарастающем входе выход может переключиться несколько раз.
Неиспользуемые входы, в том числе входы незадействованных вентилей, обязательно подключают к шине питания или земли. Почему — в истории про «висящий вход» ниже.

Симптом: восьмой выход «дёргается». Восьмиразрядный буфер AC244 зажигает семь светодиодов табло, а восьмым выходом держит в нуле линию сброса соседнего узла. При каждой смене картинки соседний узел иногда сбрасывается, хотя восьмой выход всё время «стоит» в нуле.

Механизм — «подскок» земли (ground bounce), врождённая болезнь быстрых КМОП, особенно AC и ACT. Быстрый выход, заряжающий или разряжающий ёмкостную нагрузку, гонит через вывод земли корпуса огромный кратковременный ток. У этого вывода есть индуктивность в несколько наногенри, и на ней возникает напряжение $L d I / d t$ . Земля самого кристалла подпрыгивает относительно земли платы — а вместе с ней подпрыгивает и низкий уровень на всех остальных выходах той же микросхемы. Амплитуда 1–2 В — не редкость.

Откуда берётся «подскок» земли

Быстрый фронт

Ток заряда нагрузки

Много выходов разом

Индуктивность вывода

«Подскок» земли 1–2 В

Оценка «подскока» земли

I = C \frac{d U}{d t}, U_{земли} = L \frac{d I}{d t}

Обозначения:

C

d U / d t

L

U_{земли}

Оценим порядок величины: перепад 5 В за 3 нс на ёмкости 50 пФ даёт $I = C d U / d t \approx 83$ мА на один выход, а восьмиразрядный буфер может разом переключить восемь таких нагрузок — около 2/3 А через один вывод земли! После этого 1–2 вольта «подскока» уже не удивляют.

83 мАна один выход

≈ ⅔ Авосемь выходов

1–2 В«подскок»

«Подскок» земли (качественно): семь выходов буфера AC разом разряжают нагрузку, а восьмой, который «стоит» в нуле, подпрыгивает на 1–2 В вместе с землёй кристалла.

Модель: «подскок» земли при одновременном переключении выходов

Проблема оказалась настолько серьёзной, что породила новые варианты серий AC/ACT с выводами питания и земли посередине корпуса, где индуктивность меньше. Когда эти серии появились, производители разошлись во мнениях: TI продвигала новую цоколёвку, а RCA и Fairchild защищали традиционную, с питанием по углам. В итоге существуют оба варианта, и при замене микросхемы надо проверять, какой именно у вас.

Совет. Применяя AC/ACT, держите индуктивность земли минимальной: печатная плата со сплошным земляным слоем и множество низкоиндуктивных развязывающих конденсаторов. А если высокая скорость на самом деле не нужна, лучшее лекарство — отказаться от AC/ACT в пользу HC/HCT: их фронты медленнее, и «подскок» в разы меньше.

Упражнение 8.8.7

Восемь выходов буфера AC одновременно переключаются из 1 в 0 при питании 5 В, фронт 2,5 нс, нагрузка каждого 30 пФ. Найдите средний ток одного выхода за фронт и суммарный ток. Считая, что суммарный ток в выводе земли имеет форму треугольника той же площади (нарастает за половину фронта до удвоенного среднего значения), оцените «подскок» земли при индуктивности вывода 2 нГн.

ток выхода =мАсуммарный =Аподскок =В

Решение

$I_{1} = C Δ U /Δ t = 30 \cdot 1 0^{- 12} \cdot 5/2, 5 \cdot 1 0^{- 9} = 60$ мА; $I_{Σ} = 8 \cdot 0, 06 = 0, 48$ А. Пик треугольника $2 I_{Σ} = 0, 96$ А достигается за 1,25 нс: $d I / d t \approx 7, 7 \cdot 1 0^{8}$ А/с, и $U = L d I / d t = 2 \cdot 1 0^{- 9} \cdot 7, 7 \cdot 1 0^{8} \approx 1, 54$ В — почти вдвое больше порога ТТЛ-уровней (0,8 В): для нагрузки со входом HCT/ACT «молчащий» восьмой выход на мгновение станет единицей. Меры: меньше одновременно переключаемых выходов (или разнести их по двум корпусам), последовательные резисторы 22–33 Ом в выходах, корпус с центральными выводами земли, сплошной земляной слой — или просто серия HC.

Странности ТТЛ

Таинственных явлений у ТТЛ немного. Некоторые одновибраторы ТТЛ срабатывают от выбросов в цепях питания или земли и вообще ведут себя «нервно». Схема, прекрасно работающая на LS, может начать сбоить, если заменить микросхемы на AS: та же логика, но фронты быстрее и токи в земле больше (серия 74F в этом смысле спокойнее). Как правило, загадочное поведение ТТЛ сводится к помехам по питанию и земле.

Странности КМОП

А вот КМОП способны свести с ума кого угодно. Разберём пять историй.

12345

Тиристорное защёлкивание: ток через защитный диод входа включает паразитную пару p-n-p/n-p-n, и она замыкает питание микросхемы на землю, пока питание не снимут. Резистор последовательно со входом ограничивает ток диода.

Что здесь что (5)

Вход под напряжением раньше питания. внешний сигнал выше $U_{cc}$ микросхемы
Защитный диод. ток 50 мА и больше течёт через него в карман/подложку
Паразитный тиристор. пара p-n-p и n-p-n, перекрёстно связанных, — побочный продукт изоляции p-n-переходом
Ток короткого замыкания. включившийся тиристор замыкает $U_{cc}$ на землю; ток ограничен только источником — кристалл греется
Лекарство — резистор. ограничивает ток через защитный диод; помогают и диоды Шоттки, и порядок включения питания

Тиристорное защёлкивание. Симптом: датчик со своим блоком питания подключён к плате; если датчик включить раньше платы, плата после включения сильно греется и не работает, пока её не обесточить. Механизм: когда на вход (или выход) КМОП подан сигнал, а питание микросхемы ещё не появилось, ток 50 мА и более через входные защитные диоды может открыть пару паразитных перекрёстно связанных транзисторов — неизбежный побочный продукт КМОП-технологии с изоляцией p-n-переходами (та же беда грозит аналоговым КМОП-ключам — раздел 3.3). Получается тиристор между $U_{cc}$ и землёй: он замыкает питание, кристалл греется, и вернуть его к жизни можно, только сняв питание; если не сделать этого за несколько секунд, микросхему придётся менять. Некоторые новые КМОП (серия HC с поликремниевыми затворами GE/RCA и National) не защёлкиваются даже при входном сигнале на несколько вольт выше питания.
Коварные отказы. Симптом: прибор то работает, то ошибается, причём ошибки зависят от того, какие числа он обрабатывает. Механизм: в КМОП-микросхеме может оборваться один выходной транзистор, и тогда выход «держит» уровень только ёмкостью — появляются кодозависимые ложные срабатывания, которые очень трудно найти. Вход может начать работать как источник тока или как нагрузка, весь корпус — потреблять заметный ток. Чтобы быстро найти «прожорливую» микросхему, полезно ставить последовательно с выводом питания каждой КМОП-микросхемы резистор 10 Ом (меньше — для микросхем с большой нагрузкой и мощных формирователей, например серии AC): падение на нём сразу показывает ток.
Разные пороги одного входа. КМОП-кристаллы сильно различаются по порогу, и даже у одного кристалла пороги для разных функций одного и того же входа неодинаковы. Так, у 4013 при сбросе по входу R выход Q становится высоким раньше, чем Q становится низким. Если снимать сигнал сброса по изменению Q, получившийся импульс может не успеть сбросить триггер.
Висящий вход. Симптом: кнопка подключена к входу без подтягивающего резистора; схема время от времени срабатывает сама, особенно если поднести руку. Вы ставите щуп осциллографа на вход, видите 0 В, как и должно быть, — и несколько минут всё работает идеально. Потом снова сбой. Механизм: щуп разрядил ёмкость висящего входа, и ей нужно время, чтобы утечками и наводками снова зарядиться до порога. Лекарство — никогда не оставлять входы КМОП неподключёнными.
Питание через вход. Симптом: чистая фантастика — вы забыли подключить вывод $U_{cc}$ микросхемы, а схема работает! Или плата выключена, но светодиод питания на ней тускло светится. Механизм: кристалл питается через один из логических входов: вход — защитный диод — шина питания. Можно долго ничего не замечать, пока на всех входах корпуса одновременно не окажется низкий уровень: тогда кристалл теряет питание и «забывает» состояние. Нормальной такую работу не назовёшь в любом случае: выходной каскад питается плохо и не даёт номинального тока. Хуже всего, что проблема проявляется эпизодически, и можно пробегать не один круг, прежде чем понять, в чём дело.

Плата выключена, а адаптер уже подключён: высокий уровень на линии TX течёт через защитный диод входа RX в шину питания и «питает» всю плату.

Совет. Резистор 10 Ом последовательно с выводом питания каждой КМОП-микросхемы сразу выдаёт «прожорливый» корпус: падение на нём показывает ток. Все неиспользуемые входы КМОП — к шине питания или земли.

Упражнение 8.8.8 задача

Плата с микроконтроллером (КМОП, питание 5 В от своего блока) получает команды по UART от компьютера через адаптер USB-UART. Если адаптер подключить, пока плата выключена, на ней тускло светится индикатор питания. А иногда после включения платы микроконтроллер сильно греется и не отвечает, пока плату не выключить. Объясните оба явления и предложите схемные меры, которые сделают прибор устойчивым к любому порядку включения.

Решение

Тусклый индикатор — питание через вход. Линия TX адаптера в покое высокая (5 В). Через вход RX и его верхний защитный диод ток течёт в шину питания выключенной платы и заряжает её конденсаторы примерно до 4,4 В; от этого светится индикатор и наполовину «живут» микросхемы. Состояние платы при таком «питании» непредсказуемо, а ток через защитный диод может превысить допустимый.

Нагрев и отказ — тиристорное защёлкивание. Пока питание платы ещё не установилось (или нарастает медленнее, чем сигнал на входе), напряжение на входе выше $U_{cc}$ : ток через защитный диод в карман и подложку создаёт падения напряжения на их сопротивлениях и открывает паразитную пару p-n-p/n-p-n — четырёхслойную структуру между $U_{cc}$ и землёй. Она остаётся включённой, пока питание не снимут; ток ограничен только источником, и микросхема греется.

Меры: 1) резистор последовательно с входом RX (единицы килоом — для скоростей UART этого достаточно), ограничивающий ток через защитный диод заведомо ниже порога защёлкивания (несколько миллиампер); 2) внешние диоды Шоттки от входа к шинам, которые забирают ток на себя; 3) буфер с допуском входного напряжения при выключенном питании (такие есть в современных сериях LVC — с пометкой «вход допускает напряжение при $U_{cc} = 0$ ») или оптрон, если платы питаются от разных источников; 4) сигналы на вход — только после того, как питание установилось (общий порядок включения, буфер с разрешением от монитора питания); 5) микросхемы, нечувствительные к защёлкиванию, и ограничение тока источника.