Todo sobre el retardo de propagación CMOS, ECL y TTL en PCB de alta velocidad

Todavía recuerdo el ordenador 386 que me regalaron mis padres cuando era niño. Era perfecto para escribir programas sencillos en QBasic y para pasar horas jugando, pero los ordenadores actuales han desbancado completamente a mi viejo 386.

Con el desarrollo de la arquitectura informática y la demanda de dispositivos más modernos, el retardo de propagación en los circuitos lógicos se ha convertido en un parámetro de diseño importante en numerosos sistemas. En particular, el retardo de propagación TTL puede ser demasiado largo para satisfacer tus necesidades, y hoy en día, la tecnología ha pasado a las familias lógicas CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) para la señalización de alta velocidad.

El retardo de propagación en las líneas de transmisión versus puertas lógicas

El término "retardo de propagación" se utiliza a veces indistintamente con otros términos y en distintos contextos. Al describir el comportamiento de las señales en las líneas de transmisión, el retardo de propagación se refiere a la cantidad de tiempo que necesita una señal, ya sea digital o analógica, para recorrer una línea de transmisión desde su origen hasta su destino. A veces, este tiempo también se denomina retardo de transmisión o retardo de línea, pero estos términos son mucho menos comunes. Los especialistas en microondas utilizan el término retardo de grupo, ya que se asocia a la velocidad de grupo de una envolvente de impulsos, un parámetro especialmente importante cuando se trata de señales analógicas moduladas.

En los circuitos lógicos, el retardo de propagación no se refiere tanto al tiempo necesario para que una señal viaje desde la entrada a la salida. Se refiere principalmente al tiempo de conmutación y al tiempo de estabilización, es decir, el tiempo necesario para que una señal de entrada fuerce una transición entre los estados ON y OFF, provocando finalmente que la salida se estabilice en su tensión final. La tensión de salida de un circuito digital no conmuta instantáneamente debido a la capacitancia de carga en la salida, la geometría de la puerta, la movilidad de los portadores de carga en la salida y otras características de los transistores de una puerta lógica. En otras palabras, el retardo de propagación es como la suma de todos los tiempos necesarios para iniciar la cascada de eventos de conmutación en el circuito.

En los dispositivos TTL, el consumo de energía y el retardo de propagación están sujetos a ciertas compensaciones. El retardo de propagación TTL es de ~33 ns o menos, dependiendo de la subfamilia. TTL de alta velocidad tiene un retardo de propagación que alcanza los 6 ns, aunque esta subfamilia consume más energía que otros subtipos. Una buena manera de conseguir cierto equilibrio es mediante un dispositivo que utilice un TTL Schottky de baja potencia, ya que este tiene un retardo de propagación de unos 10 ns.

Entremos en materia con la ECL y CMOS

CMOS es la familia lógica estándar utilizada en la mayoría de los circuitos integrados (CI), salvo en aplicaciones especializadas. En comparación con la TTL y sus subfamilias, la ECL (lógica de emisores acoplados) es una arquitectura mucho más rápida, con un retardo de propagación de ~1 ns, y se utilizó ampliamente en arquitectura informática durante algún tiempo. El inconveniente de la ECL es que es una familia lógica totalmente bipolar, por lo que consume mucha energía en comparación con la CMOS. Aunque la ECL y otras arquitecturas más avanzadas proporcionan velocidades de datos rápidas, la CMOS sigue siendo la piedra angular de la VLSI (integración a muy gran escala), con velocidades de reloj que alcanzan los 4 GHz.

Aunque la ECL fue una de las familias lógicas originales que obligó a los diseñadores de PCB a enfrentarse a problemas de integridad de la señal de alta velocidad, la ECL en su forma original está básicamente extinguida y la CMOS se ha convertido en la familia lógica dominante. Los dispositivos ECL se diseñaron normalmente para funcionar con pequeñas oscilaciones de señal entre los estados ON/OFF y tienen márgenes de ruido correspondientemente pequeños. La fuente de alimentación negativa utilizada en ECL es inconveniente cuando se mezcla con CMOS u otras familias lógicas. Con el tiempo, la ECL se utilizó con una fuente de alimentación de +5 V desplazando Vcc y Vee, lo que acabó derivando en la PECL (lógica de emisores acoplados positiva) de hoy en día.

Retardo de propagación CMOS y TTL en la PCB

Si le preocupa el retardo de propagación de una sola puerta o entrada/salida de un circuito integrado, ten en cuenta que los valores de retardo de propagación especificados en las hojas de datos de los circuitos integrados sólo son correctos cuando conmuta una salida del encapsulado a la vez. En realidad, el retardo de propagación aumenta cuando varios circuitos lógicos de un paquete conmutan simultáneamente. En otras palabras, el ruido de conmutación simultánea (más conocido como rebote a tierra) provoca un aumento del retardo de propagación del componente.

Esto ocurre porque las líneas de alimentación, las líneas de salida y el circuito de puerta de un paquete tienen cierta inductancia parásita. Cuando una puerta conmuta, induce una FEM de retorno en las otras puertas, lo que limita la velocidad a la que la corriente de salida conmuta entre estados lógicos. El retardo de propagación puede aumentar entre 100 y 1 ns cuando un gran número de puertas conmutan simultáneamente. Presta atención a las mejores prácticas para eliminar el rebote a tierra (minimiza el uso de vías y coloca condensadores de derivación o bypass) si también quieres evitar que aumente el retardo de propagación.

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