Minimizar el Retardo de Propagación en Puertas Lógicas: Sincronizar Trenes de Pulsos

Cuando tienes un reloj analógico, el cambio de horario por el horario de verano puede causar estragos en tu vida personal y profesional. Podrías despertarte y ni siquiera darte cuenta de que tu horario está desfasado una hora. Nadie quiere admitir que ha sido víctima del horario de verano, y todo tu horario tiene que resincronizarse cuando esto sucede.

Sincronizar tu reloj y tus componentes electrónicos es crítico en el diseño de PCB de alta velocidad. Aplicaciones como el enrutamiento de trazas de bus, memoria DDR de alto rendimiento y cualquier circuito de alta velocidad, en general, requieren un tiempo preciso de señal y pulsos de reloj. El retraso de propagación en puertas lógicas, como una puerta xor o una puerta NAND, puede corromper datos y desincronizar componentes críticos con el reloj del sistema. Además, los tiempos de preparación y espera requieren un enrutamiento preciso de trazas de reloj y señal. Si cualquier voltaje de suministro se retiene con un retraso de puerta o algo similar, cualquier circuito integrado puede experimentar problemas. Pero, ¿qué es el retraso de propagación en electrónica digital?

Tiempos de Preparación y Espera

El retraso de propagación en las puertas lógicas generalmente se refiere al tiempo de subida o bajada en las puertas lógicas. Este es el tiempo que tarda una puerta lógica en cambiar su estado de salida basado en un cambio en el estado de entrada. Ocurre debido a la capacitancia inherente en la puerta lógica. En el pasado, cuando las velocidades de reloj y transmisión de datos eran más lentas, el retraso de propagación típicamente no causaba problemas mayores en los circuitos digitales porque los tiempos de subida y bajada eran comparativamente más rápidos.

Actualmente, la situación no es tan conveniente. Circuitos de alta velocidad pueden tener frecuencias de reloj que son comparables al retraso de propagación en la electrónica digital. El resultado es que los datos que se mueven alrededor del sistema pueden estar desincronizados con el reloj, como por un retraso de propagación de una puerta lógica, lo que puede causar estragos en su dispositivo. Los componentes pueden no operar como se diseñaron debido a esta falta de coincidencia. El retraso de propagación de la puerta lógica, o cualquier otro tipo de retraso de propagación a lo largo de cualquier circuito, también puede causar corrupción de datos en aplicaciones intensivas de datos.

Como ejemplo, consideremos un flip-flop de flanco ascendente que está configurado para alternar en el próximo pulso de reloj. Cuando llega el flanco ascendente del pulso de reloj, el estado de salida comenzará a alternar. Pero el estado de salida no cambia inmediatamente. En su lugar, el estado de salida tarda algún tiempo en pasar de 0 a 1, o viceversa. Esto significa que el pulso de salida y el pulso de reloj aguas abajo del flip-flop probablemente estarán desincronizados.

El retraso de propagación se puede medir con un osciloscopio

Compensación por el Retraso de Propagación

Obviamente, no puedes acelerar una señal de reloj en un sistema digital, ni puedes acelerar selectivamente pulsos de reloj en diferentes partes de tu PCB. Pero puedes retrasar la llegada de diferentes señales en tu dispositivo ajustando las longitudes de las pistas. Agregar una pequeña extensión puede retrasar un pulso lo suficiente como para sincronizar tus señales de nuevo. Retrasar la pista del reloj solo ligeramente dará tiempo a tus circuitos integrados para asentarse en el estado adecuado y seguir estando sincronizados.

La compensación adecuada también requiere calcular el desfase de reloj entre diferentes componentes en su PCB. Lo más probable es que su PCB funcione a partir de un reloj global que se alimenta directamente a diferentes componentes. Dependiendo de cómo se ramifiquen las pistas hacia diferentes componentes, el desfase de reloj puede acumularse, requiriendo mayores tiempos de preparación y espera para sincronizar los pulsos de reloj y señal.

Un método que puede dar a sus señales suficiente tiempo para alcanzar el nivel completo antes del próximo pulso de reloj es serpentear su pista de reloj en ciertos puntos de su PCB. Un meandro serpenteante puede darle al pulso de su reloj justo el retraso adecuado. Las pistas diferenciales deben ser serpenteadas juntas y se debe mantener un acoplamiento cercano.

Dé a sus dispositivos las pistas que necesitan para prosperar

Entonces, ¿cómo elegir qué pistas serpentear? La compensación debe aplicarse a las pistas en cada red. Primero, busque la longitud de traza de señal más larga dentro de una red, y serpenteé las trazas restantes para que las señales estén sincronizadas a través de todas las trazas. Finalmente, ajuste la longitud de la traza de reloj que se conecta a los componentes en esta red. Retrase el pulso de reloj justo el tiempo suficiente para que los ICs puedan subir a la tensión completa.

Retardo de Línea y Tiempos de Subida/Bajada

El retraso de línea y el retraso de propagación en la electrónica digital a veces se usan indistintamente. El retraso de línea tiene una relación importante con el retraso de propagación y puede crear problemas de transmisión de señales bajo ciertas condiciones. Específicamente, el tiempo de subida o bajada de la señal de salida debe compararse con el retraso de línea a lo largo del trazo de salida. Cuando la longitud del trazo es larga, la señal de salida se mueve como un pulso viajero y puede ser reflejada en una desadaptación de impedancia.

Los trazos de señal deben tratarse como líneas de transmisión bajo ciertas condiciones. Una regla general en la industria es terminar el trazo de señal de salida de un CI lógico cuando el retraso de línea de ida del trazo del PCB es igual o mayor que la mitad del tiempo de subida/bajada de la señal (dependiendo de cuál borde sea más rápido).

Esto significa que puedes tolerar una desadaptación de impedancia siempre que el trazo de señal del circuito sea lo suficientemente corto. Cuando el trazo es corto, la señal sube hasta su nivel de voltaje completo y el voltaje de salida se aplica a lo largo de todo el trazo. En lugar de un pulso viajero, la señal existe como un voltaje constante momentáneo entre dos puntos y no hay reflexión de señal.

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