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

Zachariah Peterson
|  Creado: April 23, 2019  |  Actualizado: October 28, 2021

CPU y circuitos integrados en PCB negras

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.

Como consecuencia del desarrollo de la arquitectura de los ordenadores y del incremento en las exigencias de los dispositivos más modernos, el retardo de propagación en los circuitos lógicos se ha convertido en un importante parámetro de diseño para muchos sistemas. En particular, el retardo de propagación en la tecnología TTL (lógica transistor a transistor) puede ser demasiado grande como para satisfacer tus necesidades y, hoy en día, la tecnología se ha trasladado 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 menudo de forma intercambiable con otros términos y en distintos contextos. Si estamos describiendo 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 viajar por una línea de transmisión desde su origen hasta su destino. A ese tiempo se le puede llamar también 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 está asociado a la velocidad de grupo de una envolvente de pulso, un parámetro especialmente importante cuando se trata de señales analógicas moduladas.

En los circuitos lógicos, el retardo de propagación no se refiere tanto a la cantidad de tiempo que necesita una señal para viajar desde la entrada hasta la salida. Se refiere principalmente al tiempo de conmutación y al tiempo de estabilización. Esto quiere decir, al tiempo necesario para que una señal de entrada fuerce una transición entre los estados ENCENDIDO y APAGADO. A su vez, esto provoca, en última instancia, 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 viene a ser la suma de todos los tiempos necesarios para iniciar la concatenación de eventos de conmutación en el circuito.

En los dispositivos TTL, hay una cierta compensación entre el consumo de energía y el retardo de propagación. El retardo de propagación en TTL es de unos 33 ns o menos, dependiendo de la subfamilia. La 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 las ECL y CMOS

La CMOS es la familia lógica estándar utilizada en la mayoría de los circuitos integrados (CI), excepto en aplicaciones especializadas. En comparación con la TTL y sus subfamilias, la ECL (lógica de emisores acoplados) es una arquitectura mucho más rápida y fue ampliamente utilizada en la arquitectura informática durante algún tiempo. La ECL ofrece un retardo de propagación que alcanza aproximadamente 1 ns, lo que la vuelve especialmente útil a frecuencias de reloj en el orden de los GHz. El inconveniente de utilizar la ECL es que se trata de una familia lógica totalmente bipolar, por lo que tiene un consumo de energía importante en comparación con la CMOS. A pesar de que la ECL y otras arquitecturas más avanzadas proporcionan altas velocidades de datos, la CMOS sigue siendo la piedra angular de la VLSI (integración a muy gran escala), con frecuencias de reloj que alcanzan los 4 GHz.

A pesar de que la ECL fue una de las familias lógicas originales que obligó a los diseñadores a enfrentarse a los problemas de integridad de la señal de alta velocidad, en la actualidad la ECL en su forma original está básicamente extinguida y la CMOS ha pasado a ser la familia lógica dominante. Los dispositivos ECL se solían diseñar para operar con pequeñas oscilaciones de señal entre los estados ENCENDIDO/APAGADO y tienen márgenes de ruido correspondientemente pequeños. La fuente de alimentación negativa utilizada en ECL es inadecuada cuando se mezcla con CMOS u otras familias lógicas. Con el tiempo, la ECL pasó a utilizarse con una fuente de alimentación de +5 V, desplazando a Vcc y Vee, lo que acabó derivando en la PECL (lógica de emisores acoplados positiva) de hoy en día.

retardo de propagación

Retardo de propagación CMOS y TTL en la PCB

Si te preocupa el retardo de propagación de una sola puerta, o IO, en un CI, ten en cuenta que los valores de retardo de propagación especificados en las hojas de datos de los circuitos integrados solo son correctos cuando una salida del paquete conmuta 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 de 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 de las puertas conmuta, induce una cierto campo electromagnético en las otras puertas, lo que limita la frecuencia con la que la corriente de salida conmuta entre los estados lógicos. El retardo de propagación puede aumentar entre 100 y 1 ns cuando un gran número de puertas conmuta simultáneamente. Presta atención a las buenas prácticas para eliminar el rebote de tierra (minimiza el uso de vías y coloca condensadores de derivación) si también quieres evitar que aumente el retardo de propagación.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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