【E課堂】數(shù)字電路中△ I噪聲的產(chǎn)生與特點(diǎn)

　　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。

　　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)換過程中，因T5原來工作在深度飽和狀態(tài)，故T4的導(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)線較長(zhǎng)、傳輸延遲超過脈沖上升時(shí)間時(shí)，IP2≈△Vo/Zo，Zo為驅(qū)動(dòng)線的特性阻抗。

　　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T5和接地線放電，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的過程中，都將經(jīng)過短暫的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TN和接地線放電，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接地導(dǎo)線。

　　在大多數(shù)情況下，無論是TTL門還是CMOS門，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)線存在寄生電感和寄生電阻，所以△I噪聲電流流過時(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，將△I噪聲電流和△I噪聲電壓都稱為△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)生過程可見，△I噪聲是由數(shù)字電路的電路結(jié)構(gòu)和工作過程決定的，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。

　　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，輸入在輸出開始改變之前就已經(jīng)通過了過渡區(qū)。由于在這一時(shí)期CMOS管TP的源-漏電壓近似為零，因此TP甚至還沒有傳導(dǎo)任何電流就斷開了。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，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，要對(duì)所有邏輯門的工作狀態(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)中的很多邏輯門一般共用電源，所以當(dāng)系統(tǒng)中多個(gè)邏輯門同時(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，每個(gè)邏輯門的負(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為邏輯門的上升(或下降)時(shí)間，則三角形脈沖的頻譜可寫為:

　　由式(1)可知，tr越小(短)，頻譜越寬。

　　當(dāng)邏輯門的上升/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)。沖擊函數(shù)的頻譜曲線為平行于頻率軸的一條直線。可見，△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)論可以推斷，△I噪聲同時(shí)產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。傳導(dǎo)騷擾主要通過電源線、信號(hào)線、接地線等金屬導(dǎo)線傳播。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，△I噪聲會(huì)通過這些天線向外輻射電磁波，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(長(zhǎng)度小于λ/4，λ為波長(zhǎng))模式和小環(huán)天線(周長(zhǎng)小于λ/4)模式，相對(duì)而言后者更重要。

　　短單極天線在自由空間的輻射電磁場(chǎng)可近似為：

　　式中, S為天線的面積。

　　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。