15. Loginių schemų patologija ir sisteminiai trūkumai

15.1             Statinių rėžimų problemos

Įtaisas su eile trigerių dirba prijunginėjimo ciklu ir atsitinka taip, kad schema sustoja. Vienintelis būdas – išjungti ir įjungti maitinimą. Todėl, kuriant schemas, svarbu tas situacijas prognozuoti ir jas eliminuoti taip sukuriant schemą, kad ji pati automatiškai galėtų atsistatyti, tam būtinai turi būti pradinio nustatymo signalas, kuris galėtų sistemą sugrąžinti į pradinę būseną.

Pradinis nustatymas svarbus apibrėžiant sistemą pradiniu momentu. Nesant tokiam signalui, įjungiant maitinimą gali atsirasti nepageidautini reiškiniai. Tokiais atvejais naudojama 1 pav. schema,  kuri generuoja tiesioginį ir invertuota nuvertimo (Reset) signalus schemoms į išeities poziciją nustatyti, įjungus jų maitinimą. Nuosekliai su ventilio įėjimo įjungtas rezistorius reikalingas dirbant su KMOP schemomis, kas leidžia apsaugoti schemą atjungiant maitinimą. Priešingu atveju elektrolitinis kondensatorius stengsis maitinti schemą per apsauginį KMOP įėjimo ventilio diodą. Naudinga tuo tikslu panaudoti Šmitto trigerį, kuris leidžia nuvertimo signalą RESET išjungti švariai.

15.2             Problemos perjungiant

Kai ventiliai yra valdomi trigerių signalais, reikia įsitikinti, kad schemoje neatsitiks situacija, kai iki trigerio taktavimo momento ventilis atsidaro, o, pasibaigus trigeryje sukurtam vėlinimui, užsidaro. Atsirandantieji trigerių įėjimuose signalai negali būti užvėlinami taktinių impulsų atžvilgiu, todėl verta užlaikyti taktus, o ne pačią informaciją.trigeris ir taktuojamas įrenginys gali, sutrikti, jei signalų kitimas informaciniuose įėjimuose įvyks anksčiau nei nusistovėjimo laikas tn prieš ateinant taktavimo impulsui. Blogiausiu atveju trigerio išėjimas sukurs švytavimus ties loginio slenksčio riba kelias mikrosekundes. Tokios situacijos gali sutrikdyti mikro ESM, bet tokius virpesius galima panaikinti pastatant sinchronizatorių, kuris nuvers trigerį.

Taktinių impulsu frontų nuokrypos veikia KMOP schemas daugiau nei TTL schemas. Tai atsitinka tada, kai lėtu priekiniu impulso frontu yra taktuojamos kelios tarpusavyje sujungtos schemos. Jei vieno įrenginio paveikimo slenkstis skiriasi nuo kito, tai vienas gali būti įjungtas už kitą anksčiau. Jei tai taktuojamas įrenginys, tai vėliau įsijungusio paskutinis bitas gali būti prarastas. Reikia pastebėti, kad KMOP elementų perjungimo slenkstis svyruoja ribose (0,3 – 6) Ucc, tokiu atveju geriausia mikroschemų korpusus išdėstyti vieną šalia kito, išvengiant didelės talpuminės apkrovos taktiniams įėjimams. Labai svarbu bet kokių skaitmeninių mikroschemų taktinius įėjimus tvarkingai apdoroti. Taktines linijas, esant triukšmams, reikia nuvalyti ventiliu, kuris turi įėjimo histerezę, prieš paduodant impulsus į taktuojamus įėjimus. Tai ypač yra susiję su sinchroimpulsais, kurie yra paduodami iš kitos plokštės ar kitos šeimos loginio įrenginio, ypač lėtesnės.

Sutrumpinti impulsai labai pavojingi nuverčiant skaitiklius nuosavais įėjimo impulsais, nes tuo atveju reikia įvesti vėlinimą sutrumpinto impulso neigiamam poveikiui įveikti. Tai tinka ir įrašymo į skaitiklius ar poslinkio registrus, impulsams. Jie, būdami sutrumpinti, sudaro sąlygas schemai dirbti ties stabilumo riba ir todėl periodiškai sutrikdo schemą. Todėl projektuojant schemas reikia remtis blogiausiu vėlinimo atveju.

Dėl įvairių standartų per eilę metų gaminant integralines schemas yra daug nesutapimų Pvz. 74D tipo trigeris egzistuoja kiekvienoje šeimoje. Padavus vienu metu įjungimo ir numetimo (Set, Reset) impulsus, abiejuose išėjimuose atsiranda aukštas loginis lygis, išskyrus 74C šeimos atvejį, kai tai iššaukia išėjimuose žemą loginį lygį. Kitas pavyzdys – 196 tipo 5 bitų postūmio registras, kurio įėjimai gali būti įjungiami (Set), tačiau išjungti (Reset) nepavyksta. Egzistuoja “pasikeitimo laikas”, kuris turi būti išlauktas atjungus asinchroninį išėjimo signalą taktuojamo elemento sinchronizacijos pilnai garantijai.

15.3             Įgimti TTL ir KMOP trūkumai

TTL ir juos imituojanti HCT ir ACT logika yra jautri staigiems blyksniams, kurie atsiranda žemės šynose,  nes jų perjungimo slenksčio lygis yra artimas žemės potencialui. Tokie blyksniai dažnai atsiranda staigiai kintant būsenai įėjimuose. Bipoliariniai TTL elementai yra jautrūs maitinimo įtampos nestabilumui ir pasižymi ženklia galios nuostolių sklaida. Atsiradę srovių blyksniai maitinimo šynose, kuriuos sukuria aktyvios apkrovos schemos, verčia maitinimo gnybtą kiekvienai mikroschemai šuntuoti 0,1 mkF kondensatoriumi.

KMOP elementų išėjimai gali būti statinės elektros krūviais pramušami. Toks pavojus padidėja žiemos metu. Poli silicis užtūros pagrindu sukurtos KMOP šeimos HC(T), AC(T) dar labiau jautrios statiniams krūviams nei senesnės su metalo užtūromis. KMOP įėjimai labai skiriasi vienas nuo kito pagal perjungimo slenksčio dydį. Įvertinant  ir didelį 200-500 omų eilės impedansą, atsiranda dideli taktinių impulsų frontų užlaikymai. Kai išėjime signalas auga lėtai, gali išėjimuose atsirasti dvigubi perjungimai. Naujų sparčių KMOP šeimų elementams yra charakteringas žemės lygio šoktelėjimas. Toks elementas dirbdamas į talpuminę apkrovą generuoja dideles sroves per žemės šyną. Tai sukelia žemės potencialo ties mikroschemos korpusu staigu šuoliuką. Dėl to kartu šokteli ir kristalo žemas loginis lygis, kurio amplitudė gali susvyruoti iki 1 – 2 V. Tegul perjungimo laikas yra lygus 3ns, o 5V perkirtis prasideda prie 50pF talpos. Momentinė srovės reikšmė i=C du/dt =83 mA. 8 bitų buferiui tai būtų 8*83≈0,66 A– didelė srovė, todėl yra labai svarbu žemės šynos induktyvumą minimizuoti tada, jei naudojamos AC/ ACT KMOP serijos. Geriausias būdas yra panaudoti montažines plokštes su paskirstyta žemės šyna ir dideliu kiekiu šuntuojančiu mažo induktyvumo kondensatorių, jei nėra būtina didelė perjunginėjimo sparta, geriau naudoti HC/ HCT KMOP serijas. 

15.4 Anomalus elgesys

TTL elementai, naudojant juos vienvibratorių režimu gali suveikti nuo maitinimo įtampos ir žemės potencialų šuolių. Gerai dirbanti LS TTL schema gali blogai veikti pakeitus ją tokio paties tipo AS TTL schema, nes joje yra spartesnis perjungimo laikas ir padidėjusios srovės per žemės šyną. Tačiau didžiausią neteisingo TTL schemos darbo tikimybę sudaro triukšmai.

KMOP elementai pasižymi anomaliu elgesiu. Jie gali pereiti į tiristorinės užkirtos būseną, jei įėjimo ar išėjimo signalas atsiranda tuoj įjungus maitinimą. Atsiradusi ≥50mA srovė per įėjimo apsaugos diodus įjungus porą parazitiniu būdu susietų tranzistorių, kurie yra KMOP technologijos su izoliuotaisiais perėjimais pašalinis efektas. Tuo atveju maitinimo įtampa Ucc užtrumpinama į žemę, kristalas pradeda kaisti, o schemos normalaus darbo atstatymui reikia atjungti maitinimą. Jei tai nepadaroma per kelias sekundes, tai mikroschema sudegs.kai kurios KMOP schemos (HC su polisilicio užtūromis GE / RCA, National ir kt. firmų) nėra jautrios užkirtos reiškinio ir dirba esant net virš 1,5V įtampos šuoliams virš maitinančios įtampos. KMOP vienas iš išėjimo lauko tranzistorių gali atsidaryti, kas sukelia priklausančius nuo kodo klaidingus persijungimus, kuriuos sunku surasti. Elemento įėjimas gali pradėti dirbti kaip srovės šaltinis ar kaip srovės apkrova. Tuomet visas mikroschemos korpusas gali apkrauti šaltinį ženklia srove. Paprastesniam sugedusios mikroschemos suradimui, kai ji statiniu režimu dirbdama naudoja didelę srovę, patartina nuosekliai su Ucc gnybtu ir kiekviena mikroschema įjungti 10 omų varžą. KMOP kristalai pasižymi plačia įėjimo slenksčio lygio netolygumo palete. Pavyzdžiui, 4013 įtaiso  išėjimas, valdant per R įėjimą, pereina į aukšto loginio lygio būseną anksčiau nei Q išėjimas tampa žemo loginio lygio. Tai reiškia, kad nustatymo signalą negalima nutraukti pagal  išėjimo pokytį, nes atsirandantis to pasėkoje impulsas gali trigerį ir nenuversti (Reset). KMOP įėjimus negalima palikti neįjungtus. Jei norėtume surasti gedimą, su oscilografu galime tam tikrame taške nustatyti esant loginį nulį kaip ir tūrėjo būti. Po to kelias minutes schema gali normaliai dirbti, o po to staiga vėl genda. Tai įvyko dėl to, kad matavimo metu oscilografas iškrovė neprijungtą įėjimą ir tai pareikalavo šiek tiek laiko, kad neprijungtasis įėjimas vėl užsikrautų iki schemos perjungimo slenksčio.

Dar vienas svarbus atvejis! KMOP schema gali dirbti nesant prijungtam +5V maitinimui! Tai yra dėl to, kad ji gauna maitinimą iš apsaugos diodų iš Ucc schemos grandinės. Tai gali tęsti ilgą laiką, kol schemos visuose įėjimuose vienu metu pradės veikti žemas loginis lygis. Tuomet kristalas praras maitinimą ir viskas jame bus pamiršta. Tokį gedimą tikrai gana sunku rasti, nes jis priklauso nuo k signalo kodo situacijos.