¿Qué es el Retardo de Propagación de Acarreo en el Procesamiento de Datos de Alta Velocidad?

A veces me meto en conversaciones de mensajes de texto con amigos que se vuelven completamente caóticas. Es demasiado fácil hacer cinco preguntas de ida y vuelta en un solo texto, y tratar de responder a todo hace que nuestra cadena de mensajes se desincronice completamente. No es hasta tres mensajes de texto después que realmente respondo a todo lo que mi amigo preguntó, y para entonces ya hemos pasado a un tema completamente nuevo.

El retraso de señal entre circuitos lógicos en un PCB o un CI no es algo en lo que normalmente necesites pensar hasta que estás trabajando con un sistema de alta velocidad. A medida que las tasas de datos y la capacidad en los PCBs continúan aumentando, tener en cuenta el retraso es crítico para asegurar que los datos digitales permanezcan sincronizados a lo largo de tu sistema.

Revisión del Retraso de Propagación

Si no estás familiarizado con el retraso de propagación (más apropiadamente llamado retraso de transmisión) en los PCBs, lo explicaré aquí. Una señal digital requiere cierta cantidad de tiempo para moverse entre dos puntos en un PCB. Si estás tratando de mantener múltiples señales en una red o en un sistema entero sincronizadas, entonces necesitas asegurarte de que las señales lleguen a varios puntos en tu placa simultáneamente.

Tenga en cuenta que el retraso de propagación, en este sentido, se refiere al retraso de transmisión para señales que viajan entre dos puntos en un PCB. Esto no debe confundirse con la definición de retraso de propagación que encontrará en los libros de texto de electrónica digital.

Si las señales no están sincronizadas, la tasa de error de bits en su sistema puede aumentar. Al procesar datos digitales en paralelo, las señales en su red deben estar sincronizadas, por lo tanto, debe igualar la longitud de todas las pistas en su red a la longitud de la pista más larga. Compensar el desfase también es crítico en el enrutamiento de pares diferenciales. El meandro es la mejor manera de aplicar retrasos leves a las líneas de señal mientras se mantiene la impedancia.

Las señales en diferentes geometrías de trazas experimentarán retrasos de propagación ligeramente diferentes. Si está trabajando con una placa controlada por impedancia, la fórmula para el retraso de propagación será relativamente simple y dependerá de la constante dieléctrica relativa del sustrato de la placa. Al trabajar con sistemas de ~100 Mbps o superiores, necesitará considerar el retraso de propagación en toda su placa, y es una buena idea usar diseño controlado por impedancia.

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Retraso de Propagación y Desfase en el Procesamiento de Datos Paralelos

Al procesar datos en paralelo, pueden acumularse errores adicionales en los datos si el retraso de propagación entre bits no se compensa adecuadamente. Ciertos paralelos dentro de una red pueden requerir un mayor retraso si la salida de bits menos significativos determina los pasos de procesamiento aplicados a bits más significativos.

Esta consideración generalizada puede sonar extraña, pero tome el siguiente ejemplo. Supongamos que está diseñando un sumador de acarreo en cascada para usar en un PCB o en un CI. Este dispositivo es básicamente una serie de sumadores de 1 bit que procesan bits de entrada en paralelo. Los bits que componen los dos números digitales a sumar deben ser introducidos en cada sumador en paralelo, y cada sumador puede generar un bit de acarreo.

El sumador para el LSB producirá un bit de acarreo para el siguiente bit más grande, y así sucesivamente hasta el MSB. La salida del LSB al siguiente bit más alto experimentará cierto retraso de propagación. También necesitará tener en cuenta el desfase total debido al tiempo de subida de las puertas lógicas en cada sumador. El bit de acarreo y los bits de entrada en cada sumador necesitan permanecer sincronizados, y el retraso de propagación y el desfase acumulado en el bit de acarreo requieren que los bits de entrada en dígitos más altos deben retrasarse ligeramente.

El retraso total entre cada dígito es igual al retraso de propagación para la señal que viaja entre sumadores, más el doble del tiempo de subida de todo el circuito lógico en los sumadores (asumiendo que ambos sumadores son de la misma familia lógica). Cuando solo trabajas con unos pocos bits a baja velocidad, esto no desincronizará las señales entre bits. Pero cuando trabajas, por ejemplo, con números de 32 bits a 1 Gbps o más, el retraso en el bit de acarreo al alcanzar el MSB será 32 veces mayor que el retraso de propagación del acarreo entre sumadores adyacentes.

Este es un retraso muy significativo que puede desincronizar los datos a través del sumador. Para compensar el retraso en la entrada de datos a los sumadores para dígitos más altos, en realidad necesitarás agregar algo de retraso a los bits de entrada que llegan a cada sumador. Los bits sucesivamente más altos requerirán más retraso.

La manera más fácil de hacer esto es serpentear las pistas que conducen a los sumadores para dígitos más altos. Esto compensará el retraso de propagación y el sesgo acumulado en el bit de acarreo. Los dígitos más altos requieren un mayor retraso, pero el par de bits que se introduce en el sumador todavía debe estar sincronizado. La forma más fácil de aplicar este retraso es serpentear pares de pistas que conducen a cada sumador. Asegúrate de dejar algo de espacio extra entre pares de pistas para cada sumador al aplicar el serpenteo.

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Nota que estos problemas con retrasar la llegada de bits sucesivos no solo aplican a los sumadores. Realmente aplican a cualquier circuito lógico para procesamiento paralelo donde la salida del procesamiento de un bit se utiliza como entrada para procesar el siguiente bit.

Componentes (por ejemplo, FPGAs) que se pueden usar para procesamiento paralelo pueden tener una estructura de línea de retraso que acumula retraso de acarreo entre bits sucesivos. Estos valores pueden alcanzar docenas de picosegundos por bit. Cuando trabajas con números grandes a alta velocidad, los bits en dígitos más altos pueden desincronizarse del LSB. Si estás diseñando según estándares específicos que requieren una baja tasa de error de bit, compensar el retraso en las líneas de señal de entrada es una solución simple para prevenir errores de bit.

Entonces, ¿cómo puedes asegurar la integridad de los datos en tu próximo sistema digital de alta velocidad? Necesitas herramientas de enrutamiento que faciliten compensar el retraso entre elementos en tu PCB. Las herramientas avanzadas de enrutamiento y simulación en Altium Designer^® pueden ayudarte a evitar problemas de integridad de señal y mantener las tasas de error de bits bajas.

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