摘 要： 隨著數(shù)字電路" title="數(shù)字電路">數(shù)字電路的發(fā)展，△I噪聲正逐步成為數(shù)字電路中的主要噪聲源" title="噪聲源">噪聲源之一。從數(shù)字設(shè)計(jì)的核心——反相器" title="反相器">反相器入手,，系統(tǒng)分析了TTL和CMOS中△I噪聲的產(chǎn)生過(guò)程與基本特點(diǎn),。結(jié)果表明,△I噪聲是由數(shù)字電路的電路結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程決定的(是固有的),；具有疊加性、為寬帶噪聲源；同時(shí)會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字電路 △I噪聲 反相器
隨著數(shù)字電路向高集成度,、高性能、高速度,、低工作電壓,、低功耗等方向發(fā)展，數(shù)字電路中的△I噪聲正逐步成為數(shù)字系統(tǒng)的主要噪聲源之一,，因此研究△I噪聲的產(chǎn)生過(guò)程與基本特點(diǎn),，對(duì)認(rèn)識(shí)△I噪聲特性進(jìn)而抑制△I噪聲具有實(shí)際意義[1～4]。
反相器是數(shù)字設(shè)計(jì)的核心,。本文從反相器入手,，分析了TTL和CMOS中△I噪聲的產(chǎn)生過(guò)程與基本特點(diǎn)。
1 △I噪聲的產(chǎn)生
1.1 TTL中△I噪聲的產(chǎn)生
TTL反相器的基本電路如圖1所示,。在穩(wěn)定狀態(tài)下,，輸出Vo分別為高電平VOH和低電平VOL時(shí)，電源提供的電流IH和IL是不同的,，而且都比較小,。取VIL=0.2V、VIH≥3.4V,、VBE=0.7V,、VCE(sat)=0.1V、VD2=0.7V,，根據(jù)TTL反相器的工作原理[5],，可計(jì)算出IH≈1mA、IL≈3.4mA,。
在動(dòng)態(tài)情況下,，特別是當(dāng)輸出電平由低向高轉(zhuǎn)換過(guò)程中，因T5原來(lái)工作在深度飽和狀態(tài),，故T4的導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通必然先于T5的截止,，這樣就出現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)T4和T5同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)(電源與地之間形成低阻通路)，有很大的瞬時(shí)電流流經(jīng)T4和T5,，使電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖,。
若在V1從高跳變?yōu)榈偷乃查g，T5尚未脫離飽和導(dǎo)通狀態(tài)而T4已飽和導(dǎo)通,，則可計(jì)算出電源電流尖峰脈沖的峰值IP1≈34.7mA,。
由上述分析可得到TTL反相器的電源電流尖峰脈沖的波形如圖2所示。
TTL反相器的輸出端存在負(fù)載電容CL,，當(dāng)反相器的輸出電平由低向高轉(zhuǎn)換時(shí),，T4導(dǎo)通、T5截止,電源經(jīng)T4向CL充電,，也形成電源電流尖峰脈沖,，其幅值IP2≈CL×△Vo /△t，△Vo和△t分別為反相器的典型輸出轉(zhuǎn)換電壓和轉(zhuǎn)換時(shí)間,。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)較長(zhǎng),、傳輸延遲超過(guò)脈沖上升時(shí)間時(shí)，IP2≈△Vo/Zo ,，Zo為驅(qū)動(dòng)線(xiàn)的特性阻抗,。
當(dāng)反相器輸出為高電平時(shí)，CL上可充電至接近電源電壓,；而其輸出電平由高向低轉(zhuǎn)換時(shí),，T4截止,、T5導(dǎo)通，CL通過(guò)T5和接地線(xiàn)放電,，從而形成地電流尖峰脈沖,。
1.2 CMOS中△I噪聲的產(chǎn)生
據(jù)CMOS反相器的工作原理(參考文獻(xiàn)[5]pp.61～62)可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下,，電源提供的電流極小,，一般可以忽略不計(jì);而在動(dòng)態(tài)情況下，如果取VDD>VGS(th)N+VGS(th)P,，VIH≈VDD,VIL≈0,，那么當(dāng)VI從VIL轉(zhuǎn)換到VIH和從VIH轉(zhuǎn)換到VIL的過(guò)程中，都將經(jīng)過(guò)短暫的VGS(th)N〈VI〈VDD-VGS(th)P的狀態(tài),。在此狀態(tài)下,，TP和TN同時(shí)導(dǎo)通，從而在電源與地之間形成瞬時(shí)的低阻通路,，瞬時(shí)電流iT流經(jīng)TP和TN,，形成電源電流尖峰脈沖，如圖3所示,。
CMOS反相器的輸出端也存在負(fù)載電容CL,。當(dāng)CMOS反相器的輸出電平由低向高轉(zhuǎn)換時(shí)，TP導(dǎo)通,、TN截止,，電源經(jīng)TP向CL充電，也形成電源電流尖峰脈沖,，如圖4中的iP所示,；當(dāng)CMOS反相器的輸出電平由高向低轉(zhuǎn)換時(shí)，TP截止,、TN導(dǎo)通,，CL通過(guò)TN和接地線(xiàn)放電，也形成地電流尖峰脈沖,，如圖4中的iN所示,。
綜上所述，無(wú)論是TTL反相器,，還是CMOS反相器,，在動(dòng)態(tài)情況下，都存在三種原因引起的電流尖峰脈沖,。前兩種原因引起的電流尖峰脈沖通過(guò)電源分配網(wǎng)絡(luò)(Power Distribution Network),，而且電流尖峰脈沖會(huì)發(fā)生疊加，形成更強(qiáng)的電流尖峰脈沖,。后一種原因引起的電流尖峰則脈沖則通過(guò)接地導(dǎo)線(xiàn),。
在大多數(shù)情況下,，無(wú)論是TTL門(mén)還是CMOS門(mén)，由負(fù)載電容充電較之兩管同時(shí)導(dǎo)通所引起的電流尖峰脈沖所造成的影響大得多,。這些電流尖峰脈沖(典型的噪聲源)稱(chēng)為△I噪聲電流,。由于數(shù)字電路的電源分配網(wǎng)絡(luò)和接地導(dǎo)線(xiàn)存在寄生電感和寄生電阻，所以△I噪聲電流流過(guò)時(shí),，即產(chǎn)生△I噪聲電壓(自感電勢(shì)和歐姆電壓降)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn),，將△I噪聲電流和△I噪聲電壓都稱(chēng)為△I噪聲,。
2 △I噪聲的基本特點(diǎn)
2.1 △I噪聲是固有的
由△I噪聲的產(chǎn)生過(guò)程可見(jiàn)，△I噪聲是由數(shù)字電路的電路結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程決定的,，且是固有的,。恰當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計(jì)，只能在一定程度上減小(而無(wú)法消除)△I噪聲[6],。
以CMOS反相器為例,，電源電流尖峰脈沖的強(qiáng)度，一方面由器件的飽和電流決定,，因而直接正比于晶體管的尺寸,；另一方面與輸入和輸出斜率之比密切相關(guān)。由于晶體管的尺寸取決于數(shù)字IC的工藝,，所以下面具體分析后一種因素的影響,。
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考慮到CMOS反相器的輸入電平由低向高轉(zhuǎn)換，首先假設(shè)負(fù)載電容很大,，所以輸出的下降時(shí)間明顯大于輸入的上升時(shí)間,。在這種情況下，輸入在輸出開(kāi)始改變之前就已經(jīng)通過(guò)了過(guò)渡區(qū),。由于在這一時(shí)期CMOS管TP的源－漏電壓近似為零,，因此TP甚至還沒(méi)有傳導(dǎo)任何電流就斷開(kāi)了。在這種情況下TP的短路電流接近于零,；相反,，即負(fù)載電容CL非常小，因此輸出的下降時(shí)間明顯小于輸入的上升時(shí)間,。TP的源－漏電壓在轉(zhuǎn)換期間的大部分時(shí)間內(nèi)等于VDD,，從而引起了最大的短路電流(等于TP的飽和電流)。這代表了最不利情況下的條件,。
可見(jiàn),，使輸出的上升時(shí)間/下降時(shí)間大于輸入的上升/下降時(shí)間，可使電源電流尖峰脈沖的強(qiáng)度減小,。但是,，輸出的上升時(shí)間/下降時(shí)間太大會(huì)降低電路的速度并在扇出門(mén)(Fan-out Gate)中引起短路電流,。所以，在數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)只能認(rèn)真權(quán)衡后做出折衷,。
2.2 △I噪聲會(huì)發(fā)生疊加
數(shù)字系統(tǒng)中往往有很多個(gè)邏輯門(mén)" title="邏輯門(mén)">邏輯門(mén),，要對(duì)所有邏輯門(mén)的工作狀態(tài)的組合情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析是非常困難的，因而通?？紤]最不利的情況,，即假設(shè)所有的邏輯門(mén)在某一固定頻率同時(shí)向同一方向轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)。由于數(shù)字系統(tǒng)中的很多邏輯門(mén)一般共用電源,，所以當(dāng)系統(tǒng)中多個(gè)邏輯門(mén)同時(shí)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)時(shí),，它們引起的電流尖峰脈沖將發(fā)生疊加，可能引起極強(qiáng)的△I噪聲,。
假設(shè)CMOS電路板上有100個(gè)邏輯門(mén),，每個(gè)邏輯門(mén)的負(fù)載電容為10pF，轉(zhuǎn)換時(shí)間為5ns,，則所有負(fù)載電容同時(shí)充電(最不利的情況)引起的電流峰值為△I=NCL×△V/△t=100×10pF×5V/5ns=1A,。
盡管在數(shù)字系統(tǒng)中大量的邏輯門(mén)同時(shí)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的可能性較小，但這種可能性確實(shí)存在,。數(shù)字系統(tǒng)的規(guī)模越大,，這種可能性也越大，一旦出現(xiàn),，引起的后果也越嚴(yán)重,。然而，規(guī)模越來(lái)越大正是數(shù)字電路的重要發(fā)展趨勢(shì)之一,。
2.3 △I噪聲是寬帶噪聲源
△I噪聲是持續(xù)時(shí)間很短的尖脈沖,。為分析其頻譜，可以將其近似為三角形脈沖,。設(shè)E為噪聲的強(qiáng)度,、tr為邏輯門(mén)的上升(或下降)時(shí)間(rise/fall time)，則三角形脈沖的頻譜可寫(xiě)為[7]:
由式(1)可知,，tr越小(短),，頻譜越寬。
當(dāng)邏輯門(mén)的上升/下降時(shí)間極短(速度很快)時(shí),，△I噪聲可近似為沖激函數(shù)(impulse function),。沖擊函數(shù)的頻譜曲線(xiàn)為平行于頻率軸的一條直線(xiàn)?？梢?jiàn),，△I噪聲是寬帶噪聲源。
2.4 傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾
△I噪聲的實(shí)質(zhì)是瞬變電流脈沖。據(jù)有關(guān)研究結(jié)論[8～9]可以推斷,，△I噪聲同時(shí)產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾(conducted disturbance)和輻射騷擾(radiated disturbance),。傳導(dǎo)騷擾主要通過(guò)電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn),、接地線(xiàn)等金屬導(dǎo)線(xiàn)傳播,。據(jù)參考文獻(xiàn)[9]可知，電子系統(tǒng)中的很多結(jié)構(gòu)和PCB設(shè)計(jì)都不可避免地構(gòu)成各種天線(xiàn),，△I噪聲會(huì)通過(guò)這些天線(xiàn)向外輻射電磁波,，形成輻射騷擾。
對(duì)△I噪聲引起的輻射騷擾,，主要是短單極天線(xiàn)(長(zhǎng)度小于λ/4,，λ為波長(zhǎng))模式和小環(huán)天線(xiàn)(周長(zhǎng)小于λ/4)模式，相對(duì)而言后者更重要,。
短單極天線(xiàn)在自由空間的輻射電磁場(chǎng)可近似為[10]：
式中, S為天線(xiàn)的面積。
式(2)和式(3)是削弱輻射騷擾的重要理論依據(jù),。
由上述分析可得出如下結(jié)論：
(1)△I噪聲是由數(shù)字電路的電路結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程決定的,，恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)只能在一定程度上減小(而不可能消除)△I噪聲。
(2)△I噪聲是數(shù)字電路固有的,；數(shù)字電路中不同單元產(chǎn)生的△I噪聲會(huì)發(fā)生疊加,，電路的規(guī)模越大，疊加出現(xiàn)的可能性也越大,，造成的電流尖峰脈沖越強(qiáng),；△I噪聲是寬帶噪聲源，頻譜寬度主要由電路的速度決定,，速度越高,，頻譜范圍越寬；△I噪聲同時(shí)產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾,，電路的速度越高,，輻射發(fā)射越強(qiáng)。
本文的結(jié)論可作為進(jìn)一步研究△I噪聲危害和抑制△I噪聲措施的理論參考,。
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