Перейти к содержанию

Запас помехоустойчивости

Когда выход одной микросхемы управляет входом другой, между гарантированным уровнем выхода и порогом входа должен оставаться запас: помеха меньше этого запаса не исказит сигнал. Его считают по таблицам уровней двух даташитов.

Обновлено Редакция GAW

Запас помехоустойчивости (noise margin) — разница между гарантированным уровнем выхода одной микросхемы и порогом входа другой, которую она подключена управлять. Помеха меньшей амплитуды, наведённая на соединение, не изменит логический уровень.

Считают два запаса — для единицы и для нуля:

NMH=VOH min−VIH min,NML=VIL max−VOL max.NM_H = V_{OH\,min} - V_{IH\,min}, \qquad NM_L = V_{IL\,max} - V_{OL\,max}.

Значения берут из таблиц электрических характеристик: VOH и VOL — из даташита микросхемы-источника, VIH и VIL — из даташита приёмника, при одинаковом питании и с учётом тока нагрузки выхода.

СоединениеУровни по даташитам TIЗапас
74HC → 74HC при 4,5 В, выход 20 мкАVOH ≥ 4,4 В, VIH = 3,15 В; VIL = 1,35 В, VOL ≤ 0,1 В1,25 В и 1,25 В
74HC → 74HC при 4,5 В, выход 6 мАVOH ≥ 3,98 В, VOL ≤ 0,26 В0,83 В и 1,09 В
CD4013 → CD4013 при 5 ВVOH ≥ 4,95 В, VIH = 3,5 В; VIL = 1,5 В, VOL ≤ 0,05 В1,45 В и 1,45 В

Для серии 4000 TI дополнительно гарантирует запас во всём диапазоне температур: 1 В при 5 В, 2 В при 10 В и 2,5 В при 15 В — так написано в даташитах CD4011B и CD4013B.

Видно, что запас уменьшается с ростом тока выхода: нагруженный выход проседает. А при соединении микросхем с разным питанием он может стать отрицательным. Выход микроконтроллера на 3,3 В даже в идеале даёт 3,3 В: на входе 74HC при питании 4,5 В это лишь 0,15 В выше порога 3,15 В, а для серии 4000 при 5 В порог 3,5 В вообще не достигается. Такие соединения требуют преобразователя уровня или микросхем с порогами ТТЛ.

Увеличивает устойчивость к помехам на медленных и зашумлённых сигналах триггер Шмитта: у него пороги включения и выключения разнесены. Уровни разных семейств логики сведены в статье «Логические уровни».

Частые вопросы

Как рассчитать запас помехоустойчивости?

Для единицы — гарантированный минимум выхода V_OH минус минимальный порог единицы входа V_IH; для нуля — максимальный порог нуля входа V_IL минус гарантированный максимум выхода V_OL. Например, для 74HC при 4,5 В по TI: 4,4 − 3,15 = 1,25 В и 1,35 − 0,1 = 1,25 В при малом токе выхода.

Почему микроконтроллер на 3,3 В плохо управляет КМОП на 5 В?

Потому что запас становится нулевым или отрицательным. Порог единицы входа 74HC при 4,5 В — 3,15 В, у серии 4000 при 5 В — 3,5 В. Выход 3,3-вольтового микроконтроллера даже в идеале даёт 3,3 В: для 74HC запаса почти нет, для 4000 его нет вовсе. Нужен преобразователь уровня или вход с порогами ТТЛ, как у 74HCT.

Что значит помехоустойчивость 1 В у микросхем серии 4000?

TI гарантирует для CD4011B и CD4013B запас 1 В при питании 5 В, 2 В при 10 В и 2,5 В при 15 В во всём диапазоне температур. Это значит, что помеха амплитудой меньше 1 В на соединении двух микросхем серии 4000 при 5 В не изменит логический уровень.

Источники

  1. Texas Instruments (Harris). CD4011B, CD4012B, CD4023B Types: CMOS NAND Gates (SCHS021D, revised September 2003) — с. 1 — помехоустойчивость во всём диапазоне температур: 1 В при 5 В, 2 В при 10 В, 2,5 В при 15 В
  2. Texas Instruments. CD4013B CMOS Dual D-Type Flip-Flop (SCHS023E, revised September 2016) — разд. 1 — те же 1, 2 и 2,5 В; разд. 6.5 — при 5 В: выход ноль до 0,05 В, единица от 4,95 В; вход ноль до 1,5 В, единица от 3,5 В
  3. Texas Instruments. SN54HC595, SN74HC595 8-Bit Shift Registers With 3-State Output Registers (SCLS041J, revised October 2021) — разд. 6 — при 4,5 В: единица на входе от 3,15 В, ноль до 1,35 В; выход при 20 мкА — единица от 4,4 В, ноль до 0,1 В; при 6 мА — от 3,98 В и до 0,26 В

Нашли ошибку?

Смотрите также