Для живлення будь-якого МК потрібні, як мінімум, два дроти: позитивний («плюс», «Power supply») і негативний («мінус», «Ground reference»). Позначають їх у даташітах і на схемах наступними скороченнями (Мал. 2.8):

• Vcc (Voltage Collector-to-Collector) або VDD (Voltage Drain-to-Drain);

• GND (GrouND) або Vss (Voltage Source-to-Source).

 

Внутрішній опір МК позначається змінним резистором Rx. Чому змінним? Тому, що струм споживання МК варіюється в міру виконання програми. Залежить він також від режиму роботи, напруги харчування, температури, тактовою частоти, навантаження на вихідні лінії. У «сплячому» режимі струм складає одиниці мікроампер, в робочому – десятки міліампер, в максимально навантаженому – 0.1 … 0.3 А. Конкретні значення наводяться в даташіте.

 

Таблиця 2.4. Варіанти позначення виводів живлення МК

Висновок МК

Призначення

Пари умовних позначень в даташітах

Харчування

Позитивний, «плюс»

   DD

   Vcc

   Vcc –

Кю

Загальний

Негативний, «мінус»

 

   GND

   ^ss

   GND

Кілька зауважень про прийнятих у міжнародній інженерній практиці умовностях [2-3]. Напруга на виведення біполярного транзистора по відношенню до загального проведення GND позначається літерою «V» (англ. «Voltage») і одним з підрядкових індексів: «В» (англ. «Base», база), «С» (англ. «Collector», колектор), «Е» (Англ. «Emitter», емітер). Приміром, Vc – це напруга на колекторі щодо GND. Напруга між двома висновками транзистора позначається подвійним індексом: VCE – це напруга між колектором і емітером.

Індекс, утворений двома однаковими буквами вказує на джерело живлення: Vcc – позитивний, VEE – негативний контакт. Образно можна уявити собі транзистор провідності п-р-п, у якого колектор з'єднується з харчуванням (С-С), а емітер з «масою» (Е-Е). Транзистори провідності р-п-р в цю струнку теорію не поміщаються, позначається той факт, що вони спочатку з технологічних причин були менше поширені.

Для польових ^-канальних транзисторів існують аналогічні назви, відповідно, VDD (плюс харчування, напруга «стік – стік», «Drain-to-Drain») і Vss (Мінус харчування, напруга «витік – витік», «Source-to-Source»).

Оскільки сучасні МК складаються з польових транзисторів, то логічно було б їх висновки харчування позначити парою «^ dd '^ ss ^» а не «^ cc'GND», як у мікросхем ТТЛ-логіки. Однак, тут починається найцікавіше (Табл. 2.4). Однаковість відсутня навіть в М До однієї фірми і одного сімейства.

Таблиця 2.4. Варіанти позначення виводів живлення МК

Приклад 1. Мікросхема Z86L33 фірми Zilog, виконана в корпусі з 28 висновками, має назву ланцюгів харчування «^ dq-^ ss» 'а та ж мікросхема в корпусі з 40 висновками – «KCC-GND».

Приклад 2. У сімействі ATmega фірми Atmel прийнято позначення «KCC-GND» (далі в книзі як основне), а в сімействі ARM тієї ж фірми «Kdd-GND».

Приклад 3. МК К1816ВЕ49 має два висновки харчування, один з них Vcc є основним, а інший VDD служить для підключення резервної батареї.

Напевно, далі за всіх в казуїстиці назв просунулася мікросхема TMS320F фірми Texas Instruments, що має висновок загального проводу з «подвійним прізвищем» KSS1AGND.

Тим, хто часто працюєте різними сімействами МК, згодиться просте мнемонічне правило – оскільки за буквою «С» латинського алфавіту відразу слід буква «D», значить Vcc і VDD відносяться до однієї і тієї ж ланцюга, тобто до харчування. Висновок GND ні з чим не сплутаєш, це «земля», «загальний провід». Залишається позначення Vss, яке методом виключення прирівнюється до GND.

До речі, слово «висновок» (англ. «pin» – шпилька) вживається в електроніці для мікросхем, транзисторів, конденсаторів, діодів, резисторів, оптопар, котушок індуктивності. Слово «контакт» – для роз'ємів, перемикачів, джамперів, реле, перемичок, а ось сленгові назви «ноги, ніжки» більш характерні людині, ніж електронного виробу.

 

 

 

 

 

 

Організація харчування в МК

Двопровідне харчування сучасним МК дісталося у спадок від «прадідусів» i8048/i8051. Зараз воно в основному застосовується в малогабаритних МК з числом висновків 6 … 18, наприклад, в Atmel ATtiny, Microchip PIC10/12. Міра вимушена, т.к. вільних висновків катастрофічно не вистачає.

З розвитком технології до складу М К стали вводити аналогові вузли АЦП / ЦАП, які дуже чутливі до перешкод. Відбувся природний перехід на трьох-(Мал. 2.9), чотирьох-(Мал. 2.10, а … в) і багатопровідні (Мал. 2.11, а, б) схеми живлення.

Додавання ланцюгів AVCC (Analog УСС) і AGND (Analog GND) дозволяє розв'язати між собою аналогові і цифрові частини мікросхеми, зменшити імпульсні перешкоди, підвищити інструментальну точність каналів АЦП і ЦАП.

Змінні резистори Яа і RD відрізняються між собою по опорам. У часі вони теж змінюються за різними законами. Наприклад, в робочому режимі «цифровий» ток значно більше «аналогового». Отже, RA більше, ніж Rd. У режимі очікування ситуація може змінитися з точністю до навпаки.

 

 

 

 

Резистори Rg, Ry – це омические опору, безпосередньо виміряні тестером між висновками мікросхем. Їх наявність або відсутність не піддається логічному передрікання і зазвичай не вказується в даташітах. Наприклад, в одному і тому ж сімействі Atmel ATmega у мікросхем ATmega8 і ATmega 16 харчування виконується, відповідно, за схемами, зображеною на Рис. 2.10, в і Рис. 2.10, б.

У кожному конкретному випадку роз'єднаність внутрішніх ланцюгів треба перевіряти експериментально, не сподіваючись на знаменитий слов'янський "авось". Абсолютні значення опорів резисторів RG, Rw у різних фірм відрізняються, що пов'язано з особливостями технології виготовлення.

Багатопровідні схеми особливо характерні для 16 – і 32-бітових МК, у яких харчування поділяється на кілька потоків. А саме: ядро ??процесора, периферійні буфери, аналогова частина, система фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ), генераторний блок і т.д. Назви ланцюгів зустрічаються самі екзотичні: VDDA2, KDD18, KDDC0RE, К33, DVCC, VDDAKSS4, DVSS, KSSA. Рекордсменом у цій галузі можна вважати М До сімейства Atmel АТ91 САР, де в одному корпусі налічується 12 неповторюваних назв висновків харчування і 8 варіацій назв загального проводу. Кожна з силових ланцюгів в свою чергу продубльована декількома однойменними висновками з різних сторін чотиригранного корпуса, що дозволяє рівномірно розподілити струмовий навантаження.

Фільтрація перешкод

Якщо подивитися на осциллограмму струму споживання МК, то в ній можна помітити низькочастотну (НЧ) і високочастотну (ВЧ) складові. Як наслідок, коливання струму приводять до появи НЧ-і ВЧ-перешкод на затискачах харчування. Для їх ослаблення використовують стандартні рішення у вигляді зв'язки конденсаторів (Мал. 2.12, Рис. 2.13), 1С-і ДС-фільтрів (Мал. 2.14, Рис. 2.15).

Полярні конденсатори С1, СЗ послаблюють ВЧ-перешкоди. Їх наявність обов'язкова біля будь-якого МК, причому максимально близько від висновків харчування (не більше 50 мм). Конденсатори повинні бути керамічні, наприклад, К10-17 або поверхнево монтовані чіп-коденсатори ходових розмірів 0603 … 1206.

Базовий номінал ємності 0.1 мкФ обраний умовно, як легко запам'ятовується. Пристрій буде нормально функціонувати і при 0.068 мкФ, і при 0.15 … 0.22 мкФ. Іноді паралельно конденсатору С1 ставлять ще одну неполяр-

 

 

 

 

ву ємність 1000 пФ, яка знижує рівень радіовипромінювань. Зазвичай такий спосіб застосовують у професійній апаратурі, щоб увійти в допуск при перевірках вироби на електромагнітну сумісність і радіоперешкоди.

Полярний конденсатор С2 бажано використовувати танталовий (а не алюмінієвий), оскільки він краще пригнічує імпульсні перешкоди. При виборі ємності можна керуватися емпіричним правилом, яке запозичене з багаторічної практики застосування мережевих джерел живлення – 1000 мкФ на кожен ампер струму навантаження. Приміром, якщо цифрова частина МК споживає струм 10 … 30 мА, то досить поставити конденсатор С2 ємністю 10 … 30 мкФ з робочою напругою не менше 6.3 В. Знавці рекомендують вибирати більш високовольтні конденсатори з напругою 10 … 16 В, оскільки підвищується надійність в експлуатації і, головне, знижується внутрішній імпеданс, що дозволяє краще фільтрувати перешкоди.

Конденсатор С2 обов'язковий при батарейному харчуванні як накопичувач енергії, а також при значних коливаннях і скачках напруги. У деяких випадках його функцію виконує конденсатор фільтра мережевого випрямляча або стабілізатора напруги. Як варіант, конденсатор С2 може фізично розміщуватися поблизу інших цифрових мікросхем і побічно впливати на ланцюг живлення МК.

Котушка індуктивності L1 розв'язує цифрову і аналогову частини по високій частоті. Якщо її не ставити, то може погіршитися точність вимірювання АЦП і стабільність порога спрацьовування аналогового компаратора. Як не парадоксально, але значну частину перешкод з харчування створюють внутрішні цифрові вузли МК, тому 1С-і /? С-фільтри захищають контролер від … самого себе. Номінал індуктивності L1 не особливо критичний і може змінюватись в широких межах.

Ферритові «намистинка» FBI (Ferrite Bead) є провідник, пропущений через ферритові кільце або циліндр. Цей елемент сприяє зниженню високочастотних випромінювань, які можна зафіксувати лише спеціальними вимірювальними радіоприймачами в екранованої «безехо-вої» камері. Такі випробування обов'язкові при сертифікації продукції.

В аматорській практиці фільтр FBI ставиться рідко, хіба що в зв'язковою спортивної апаратурі, де перешкоди від МК можуть істотно вплинути на якість прийнятого сигналу і значно погіршити чутливість.

Таблиця 2.5. Межі зміни напруги живлення МК

Діапазон харчування

Розкид [%]

Напруга харчування [6]

Вузький

   ±5; ±10; ±15

   2.7…3.6; 3.0…3.6; 4.5…5.5; 4.75…5.25

Широкий

   ±35; ±40; ±45

   1.8…5.5; 1.8…6.5; 2.0…5.5; 2.7…5.5

Діапазон харчування

Розрізняють вузько-і широкодіапазонним МК (Табл. 2.5). Класифікаційним ознакою служать допустимі межі робочого харчування, при яких виробник ще гарантує технічні параметри згідно даташіту. «Низьковольтні» варіанти МК відрізняються додаванням букви «L» (Low) або «V» (Very low) у назві. Наприклад, вузький діапазон – 4.5 … 5.5 В (ATmegal28, PIC16F628A), широкий діапазон – 2.7 … 5.5 В (ATmegal28L), 2 … 5.5 В (PIC16LF628A).

Традиційно в аматорських розробках використовують живлення 5 В, хоча останнім часом все частіше переходять на діапазон 2.7 … 3.6 В. Судячи по форумах в Інтернеті, МК з вузьким і широким діапазоном харчування виготовляються з одного й того ж технологічного процесу, але внаслідок природного розкиду параметрів, разбраковиваются на групи «гірше – краще». Це не означає, що МК з діапазоном 4.5 … 5.5 В не буде працювати при зниженому до 3 У харчуванні. Буде! Однак не можна гарантувати його стійкий запуск при крайніх значеннях температури, тактовою частоти і навантажень.

Загальне правило – коли потрібна максимальна швидкодія, то підвищують напругу живлення і вибирають узкодіапазонний МК, коли потрібний мінімальний струм споживання – навпаки.

Підводячи підсумки огляду підсистеми живлення, пропонується для ідеалізованого МК вибрати такі усереднені характеристики:

• напруга живлення 2.7 … 5.5 В (широкий діапазон);

• струм споживання 3 … 15 мА при кімнатній температурі, середньої тактовій частоті і напрузі живлення 3 … 5 В;

• навантаження по всіх виходів МК повинна бути такою, щоб максимальний струм, що протікає через виведення живлення, не перевищував 100 мА;

• позначення силових висновків Vcc, GND, як в AVR-контролерах;

• базова схема організації харчування відповідає Рис. 2.8;

• аналогові ланцюги AVCC, AGND в ідеалізованому МК є, але для спрощення графіки на електричних схемах не показуються, хоча харчування до них підводиться за аналогією з Рис. 2.13, Рис. 2.14, Рис. 2.15.

Практичні рекомендації

Як показує сумний досвід електронників, М К вельми «ніжні» пристрої по відношенню до кидкам харчування і не люблять перевантажень напруги, навіть короткочасних. Якщо є ймовірність попадання на мікросхему в аварійному режимі рівнів понад 5.5 … 7 В (для кожного МК в даташіте по-різному), то необхідно ставити елементи захисту – стабілітрони, сапрессори.

Часта помилка захоплених експериментаторів полягає в установці МК в панельку «задом-наперед», протилежною стороною. Виходить, що замість плюса харчування може подаватися мінус, лінії портів можуть з'єднуватися з про

щим дротом і т.д. Переважна більшість МК такі досліди витримують з гідністю і без руйнування. Тут важливо стежити за тривалістю впливу несприятливих факторів, чим менше час, тим краще. Подача харчування зворотної полярності викликає температурний розігрів корпусу МК, але якщо вчасно зняти напругу, то мікросхема, як правило, залишається цілою.

Нумерація висновків харчування МК не стандартизована, на відміну від серійних мікросхем ТТЛ-і КМОП-логіки. Відоме правило: «Старший за номером висновок – це Ксс, а вдвічі менший за номером висновок – це GND »поширюється лише на деякі типи МК (зокрема, Atmel ATmega8515), і те, для сумісності з цокольовка мікросхем з ядром MCS-51. Кращим варіантом з точки зору завадостійкості і частотних властивостей є розміщення висновків підсистеми живлення в центрі корпусу (наприклад, Atmel ATmega8535). При цьому скорочується шлях струму від джерела живлення до процесорного ядру і знижується індуктивність висновків. На низьких частотах тактових це не стіл ь істотно, а на високих – приносить відчутну користь.

Якщо корпус мікросхеми чотиригранний, то «земляних» висновків GND, як правило, багато і вони дублюють один одного з усіх чотирьох сторін. Таким нехитрим способом підвищується сумарна максимальний струмовий навантаження на лінії портів МКдо 200 … 400 мА без перегріву кристала.

При розробці топології друкованої плати слід дотримуватися загальних рекомендацій з проектування аналого-цифрових пристроїв:

• провідники, по яких поширюються аналогові сигнали, повинні бути як можна коротше по довжині і розташовуватися подалі від швидкодіючих цифрових трактів;

• аналогові і цифрові частині харчування повинні з'єднуватися в одній єдиній точці, бажано прямо на висновках загального електролітичного конденсатора фільтра;

• на друкованій платі рекомендується передбачати дві області суцільний металізації, окремо для аналогової і окремо для цифрової «землі», над якими розміщуються тільки «свої» радіоелементи;

• якщо висновки GND і AGND з'єднуються електрично всередині мікросхеми, цей момент можна використовувати при розведенні друкованої плати в якості безкоштовної перемички (але тільки для цифрового режиму і низькою струмового навантаження);

• якщо аналоговий компаратор, АЦП і ЦАП не використовуються, то все одно для підвищення завадостійкості рекомендується з'єднувати між собою цепі/4Кссі Ус, GND і AGND яким доступним способом. Виключення з правила – це мініатюрні пристрої з батарейним харчуванням, де відключення аналогової частини може істотно заощадити енергію.

Джерело:
Рюмік С.М. 1000 і одна мікроконтроллерной схема. (Випуск 1)