Anpassungen von Laufzeitverzögerungen: Sorgen Sie für zeitgenaue Pulsfolgen

Wenn Sie eine analoge Uhr besitzen, dann kann die Sommerzeit Ihr privates und berufliches Leben erheblich durcheinanderbringen. Sie wachen vielleicht auf und merken nicht einmal, dass Sie eine Stunde zu früh (oder zu spät) dran sind. Niemand gibt gerne zu, dass er der Zeitumstellung zum Opfer gefallen ist – schließlich muss man dann seinen gesamten Lebensrhythmus anpassen.

Die Synchronisation Ihrer Elektronikkomponenten mit dem Taktgeber ist beim Design von High-Speed-Leiterplatten entscheidend. Anwendungen wie Bus-Trace-Routing, Hochleistungs-DDR-Speicher und generell alle Hochgeschwindigkeitsschaltungen erfordern ein präzises Timing der Signal- und Taktimpulse. Laufzeitverzögerungen in Logikgattern, wie z. B. einem XOR- oder Nand-Gatter, können Daten verfälschen und kritische Komponenten aus dem Systemtakt bringen. Zusätzlich erfordern Setup- und Hold-Zeiten eine präzise Verlegung von Takt- und Signal-Leiterbahnen. Wenn ein Teil der Versorgungsspannung durch eine Gatterlaufzeit o. ä. aufgehalten wird, kann jede integrierte Schaltung Probleme bekommen.

Einstell- und Haltezeiten

Die Laufzeitverzögerung bezieht sich typischerweise auf die Anstiegszeit oder Abfallzeit in Logikgattern. Dies ist die Zeit, die ein Logikgatter benötigt, um seinen Ausgangszustand aufgrund einer Änderung des Eingangszustands zu ändern. Die Verzögerung entsteht durch die Eigenkapazität des Logikgatters. Als die Takt- und Datenübertragungsraten noch niedriger waren, verursachte die Laufzeitverzögerung in digitalen Schaltungen in der Regel keine größeren Probleme, denn die Anstiegs- und Abfallzeiten waren vergleichsweise kurz.

Heutzutage ist die Lage weniger komfortabel. High-Speed-Schaltungen können Taktfrequenzen aufweisen, die vergleichbar mit der Laufzeitverzögerung in einem digitalen System sind. Das Ergebnis: Daten, die sich in Form von Logikpegeln durch das System bewegen, sind, z. B. aufgrund einer Laufzeitverzögerung eines Logikgatters, möglicherweise nicht mehr taktsynchron, was im Gesamtsystem verheerende Auswirkungen haben kann. Komponenten arbeiten dann aufgrund dieser Abweichung u. U. nicht wie vorgesehen. Die Laufzeitverzögerung von Logikgattern oder jede andere Art von Laufzeitverzögerung in einem beliebigen Schaltkreis kann in sehr datenintensiven Anwendungen ebenfalls zu fehlerhaften Daten führen.

Betrachten Sie als Beispiel ein Flip-Flop mit steigender Flanke, das so konfiguriert ist, dass es beim nächsten Taktimpuls umschaltet. Wenn die steigende Flanke des Taktsignals eintrifft, beginnt der Ausgangszustand zu wechseln. Der Ausgang schaltet aber nicht sofort um. Stattdessen benötigt der Ausgangszustand einige Zeit, um von 0 auf 1 zu steigen (oder umgekehrt). Dies bedeutet, dass der Ausgangsimpuls und der Takt hinter dem Flip-Flop vermutlich nicht synchron sind.

Laufzeitverzögerungen können mit einem Oszilloskop gemessen werden

Kompensation der Laufzeitverzögerung

Natürlich können Sie weder das Taktsignal eines Systems noch individuelle Taktimpulse an verschiedenen Stellen Ihrer Schaltung beschleunigen. Allerdings können Sie das Eintreffen verschiedener Signale gezielt verzögern, indem Sie die Länge der Leiterbahnen verändern. Durch Hinzufügen einer geringen Leitungslänge kann ein Impuls gerade so lange verzögert werden, bis Ihre Signale wieder synchronisiert sind. Ist der Takt nur geringfügig verzögern, haben Ihre ICs Zeit, sich in den jeweiligen Logik-Zustand zu versetzen und weiterhin synchron zu arbeiten.

Eine ordnungsgemäße Kompensation erfordert auch die Berechnung des Taktversatzes zwischen verschiedenen Komponenten auf Ihrer Leiterplatte. Höchstwahrscheinlich läuft Ihre Leiterplatte mit einem Systemtakt, der verschiedene Komponenten direkt ansteuert. Je nachdem, wie Leiterbahnen zu verschiedenen Komponenten abzweigen, kann sich der Taktversatz akkumulieren, sodass längere Einstell- und Haltezeiten zur Synchronisierung von Takt und Signalimpulsen erforderlich sind.

Eine Methode, die Ihren Signalen genügend Zeit geben kann, um vor dem nächsten Takt den erforderlichen Logikpegel zu erreichen, ist das Mäandern der Taktleitung an bestimmten Punkten auf Ihrer Leiterplatte. Ein serpentinenartiger Mäander gibt Ihrem Takt genau die richtige Verzögerung. Differenzielle Leiterzüge müssen gemeinsam mäanderförmig verlegt werden, um ihre enge Kopplung zu gewährleisten.

Geben Sie Ihrem System die nötigen Verbindungen, die es zum Funktionieren braucht

Wie wählen Sie also aus, welche Leiterbahnen Sie mäandern müssen? Die Kompensation sollte auf Leiterbahnen eines jeden Netzes angewendet werden. Suchen Sie dazu zunächst die längste Leiterbahn innerhalb eines Netzes und mäandern Sie die verbleibenden Bahnen so, dass die Signale über alle Bahnen hinweg miteinander synchronisiert sind. Passen Sie schließlich die Länge der Taktleitung an, die mit den Komponenten in diesem Netz verbunden ist. Verzögern Sie den Takt um gerade so viel Zeit, dass die IC-Eingänge auf den erforderlichen Logikpegel ansteigen können.

Leitungsverzögerung und Anstiegs-/Abfallzeiten

Leitungs- und Laufzeitverzögerung werden gelegentlich synonym verwendet. Die Leitungsverzögerung hat eine wichtige Beziehung zur Laufzeitverzögerung und kann unter bestimmten Bedingungen zu Problemen bei der Signalübertragung führen. Insbesondere sollte die Anstiegs- oder Abfallzeit des Ausgangssignals mit der Leitungsverzögerung entlang der Ausgangsleitung verglichen werden. Bei langen Leiterbahnen bewegt sich das Ausgangssignal als Wanderimpuls und kann bei einer Impedanzfehlanpassung reflektiert werden.

Signalleitungen müssen unter bestimmten Bedingungen wie Übertragungsleitungen behandelt werden. Eine branchenübliche Faustregel besagt, dass die Leiterbahn des Ausgangssignals eines Logik-ICs anzupassen ist, wenn die Einweg-Leitungsverzögerung der Leiterbahn gleich oder größer als die Hälfte der Signalanstiegs-/Abfallzeit ist (je nachdem, welche Flanke schneller ist).

Das bedeutet, dass Sie eine Impedanzfehlanpassung in Kauf nehmen können, solange die Signalleitung der Schaltung relativ kurz ist. Dann steigt das Signal bis zu seinem vollen Spannungspegel an und die Ausgangsspannung liegt über die gesamte Leiterbahn an. Anstelle eines sich ausbreitenden Impulses besteht das Signal als momentane konstante Spannung zwischen zwei Punkten und es gibt keine Signalreflexion.

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