Propagation Delay: Alles über CMOS-, ECL- und TTL-Ausbreitungsverzögerung in Hochgeschwindigkeits-PCBs 


Zachariah Peterson
|  Created: April 23, 2019  |  Updated: April 3, 2021
CPU und integrierte Schaltkreise auf schwarzer Leiterplatte

Ich erinnere mich noch an den 386 Computer, den mir meine Eltern als Kind geschenkt haben. Er war nützlich, um einfache QBasic-Programme zu schreiben und stundenlang Computerspiele zu spielen, aber die Computer von heute lassen meinen 386er PC ziemlich alt aussehen.

Mit der Weiterentwicklung der Computerarchitektur und der Nachfrage nach moderneren Geräten wird der Propagation Delay (dt. Ausbreitungsverzögerung) in Logikschaltungen zu einem wichtigen Designer-Parameter in einer Reihe von Systemen. Insbesondere die TTL-Ausbreitungsverzögerung kann für Ihre Anforderungen zu lang sein, wenn Sie vorhaben, serielle Datenübertragungsraten von mehr als 100 Mbit/s zu erreichen.

Übertragungsleitungen vs. Logikgatter

Der Begriff "Propagation Delay" wird austauschbar mit einer Reihe anderer Begriffe und in verschiedenen Kontexten verwendet. Bei der Beschreibung des Verhaltens von Signalen auf Übertragungsleitungen bezieht sich die Ausbreitungsverzögerung auf die Zeit, die ein Signal, sei es digital oder analog, benötigt, um auf einer Übertragungsleitung von seiner Quelle zu seinem Ziel zu gelangen. Diese Zeit wird auch als Übertragungsverzögerung oder Leitungsverzögerung bezeichnet. In der Mikrowellenbranche wird der Begriff Gruppenverzögerung verwendet, da diese mit der Gruppengeschwindigkeit einer Impulshüllkurve zusammenhängt, einem besonders wichtigen Parameter beim Umgang mit modulierten Analogsignalen.

In Logikschaltungen hat der Propagation Delay nichts mit der Zeit zu tun, die ein Signal benötigt, um vom Eingang zum Ausgang zu gelangen. Sie bezieht sich vielmehr auf die Schaltzeit, d.h. die Zeit, die ein Signal benötigt, um zwischen den Zuständen EIN und AUS zu wechseln. Die Ausgangsspannung einer digitalen Schaltung schaltet nicht unmittelbar. Dies liegt an der geladenen Lastkapazität am Ausgang, der Gategeometrie, der Mobilität der Ladungsträger am Ausgang und anderer Eigenschaften der Transistoren in einem Logikgatter.

Es gibt einige Kompromisse zwischen Stromverbrauch und Propagation Delay bei TTL-Geräten. Die TTL-Ausbreitungsverzögerung beträgt 33 ns oder weniger, abhängig von der Unterfamilie. Hochgeschwindigkeits-TTL hat eine Verzögerung von bis zu 6 ns, obwohl diese Unterfamilie mehr Strom verbraucht als andere Untertypen. Ein guter Kompromiss ist ein Gerät, das Schottky-TTL mit geringer Leistung verwendet, da dies eine Verzögerung von ~10 ns und einen Stromverbrauch von ~2 W aufweist.

Mit ECL in den Schnellgang treten

Im Vergleich zu CMOS- (~100 ns Propagation Delay) und TTL-Geräten (~10 ns) ist ECL eine viel schnellere Architektur und wird häufig in der Computerarchitektur eingesetzt. ECL bietet eine Ausbreitungsverzögerung von ~1 ns, was es für GHz-Taktraten nützlich macht. Der Nachteil bei der Verwendung von ECL ist, dass es sich um eine rein bipolare Logikfamilie handelt, die mit einem erheblichen Stromverbrauch einhergeht. Obwohl ECL und fortschrittlichere Architekturen schnellere Datenraten bieten, ist CMOS mit Taktraten von bis zu 4 GHz immer noch der Eckpfeiler von VLSI.

ECL-Geräte sind in der Regel für den Betrieb mit kleinen Signalschwankungen zwischen EIN- und AUS-Zuständen ausgelegt und haben eine entsprechend kleine Noise Margin. Im Gegensatz zu TTL- und CMOS-Logikschaltungen zieht ECL keine Stromspitzen aus der Stromversorgung. Da der aus der Stromversorgung entnommene Strom während des Schaltens konstant bleibt, fehlt bei ECL-Bausteinen eine wichtige Rauschquelle. ECL hat eine rein ohmsche Last, was bedeutet, dass der Ausgangsstrom im Vergleich zur CMOS- oder TTL-Logik relativ flach ist.

Transistors with TTL propagation delay

CMOS- und TTL-Propagation Delay in Ihrer Leiterplatte

Hersteller digitaler ICs messen in der Regel nur die Ausbreitungsverzögerung von einem einzelnen Gate aus und geben diese Messung als Verzögerung für das gesamte Gehäuse an. Die in Datenblättern für integrierte Schaltungen angegebenen Werte für den Propagation Delay sind aber nur dann korrekt, wenn jeweils nur ein Ausgang des Gehäuses schaltet. In Wirklichkeit erhöht sich die Verzögerung, wenn mehrere Logikschaltungen in einem Gehäuse gleichzeitig schalten.

Dies geschieht, weil die Stromleitungen, die Ausgangsleitungen und die Gate-Schaltung in einem Gehäuse eine parasitäre Induktivität aufweisen. Wenn ein Gate schaltet, induziert es eine gewisse Gegen-EMK in den anderen Gates, wodurch die Rate begrenzt wird, mit der der Ausgangsstrom zwischen den Logikzuständen wechselt. Die Ausbreitungsverzögerung kann sich für jedes zusätzliche Schaltgate um 100 bis 200 ps erhöhen. Bei CMOS-Bauelementen ist dies im Vergleich zur Ausbreitungsverzögerung für ein einzelnes Gate ein Tropfen auf dem heißen Stein. Bei ECL- oder TTL-Bausteinen stellt dies bei Gehäusen mit einer großen Anzahl von Logikschaltungen eine erhebliche Erhöhung der Ausbreitungsverzögerung dar.

Wenn Sie Hochgeschwindigkeits-PCBs entwerfen, sollten Sie Ihre Platine layouten und Verbindungen routen und dabei die untere Grenze der Ausbreitungsverzögerung berücksichtigen. Wenn Sie mehrere Signalnetze auf Ihrer Leiterplatte synchronisieren müssen, kann es am besten sein, eine digitale PLL zu verwenden, um serielle Daten mit einem externen Takt zu synchronisieren. Wenn ein IC-Gehäuse in einem Signalnetz vorhanden ist, müssen Sie die zusätzliche Propagation Delays kompensieren; entweder durch Anpassung der Leiterbahnlängen oder durch Verwendung eines digitalen PLL-Synthesizers. Dies ist wahrscheinlich die beste Methode, um Daten zwischen mehreren Signalnetzen zu synchronisieren und eine Kompensation bereitzustellen.

Synchronized swimmers

Mangelnde Synchronisation betrifft mehr als nur digitale Signalnetze
 

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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