Minimiser le retard de propagation dans les portes logiques : Synchroniser les trains d'impulsions

Lorsque vous avez une montre analogique, le passage à l'heure d'été peut semer le chaos dans votre vie personnelle et professionnelle. Vous pourriez vous réveiller et ne même pas réaliser que vous avez une heure de décalage. Personne ne veut admettre qu'il a été victime du changement d'heure, et tout votre emploi du temps doit être resynchronisé lorsque cela arrive.

La synchronisation de votre horloge et de vos composants électroniques est cruciale dans la conception de PCB à haute vitesse. Des applications comme le routage de traces de bus, la mémoire DDR haute performance et tout circuit à haute vitesse, en général, nécessitent un chronométrage précis des impulsions de signal et d'horloge. Le retard de propagation dans les portes logiques, telles qu'une porte xor ou une porte NAND, peut corrompre les données et désynchroniser les composants critiques avec l'horloge du système. De plus, les temps de préparation et de maintien nécessitent un routage précis des traces d'horloge et de signal. Si une partie de la tension d'alimentation est retardée par un délai de porte ou similaire, tout circuit intégré peut rencontrer des problèmes. Mais qu'est-ce que le retard de propagation dans l'électronique numérique ?

Temps de préparation et de maintien

Le délai de propagation dans les portes logiques fait généralement référence au temps de montée ou au temps de descente dans les portes logiques. Il s'agit du temps nécessaire pour qu'une porte logique change son état de sortie en fonction d'un changement dans l'état d'entrée. Cela se produit en raison de la capacité intrinsèque de la porte logique. Dans le passé, lorsque les taux de transmission d'horloge et de données étaient plus lents, le délai de propagation ne causait généralement pas de problèmes majeurs dans les circuits numériques car les temps de montée et de descente étaient comparativement plus rapides.

De nos jours, la situation n'est pas aussi pratique. Les circuits à haute vitesse peuvent avoir des fréquences d'horloge comparables au délai de propagation dans l'électronique numérique. Le résultat est que les données circulant dans le système peuvent être désynchronisées avec l'horloge, comme à cause d'un délai de propagation d'une porte logique, ce qui peut causer des ravages sur votre appareil. Les composants peuvent ne pas fonctionner comme prévu en raison de cette inadéquation. Le délai de propagation d'une porte logique, ou tout autre type de délai de propagation dans n'importe quel circuit, peut également causer la corruption des données dans les applications intensives en données.

À titre d'exemple, considérons un basculeur à front montant qui est configuré pour basculer au prochain impulsion d'horloge. Lorsque le front montant de l'impulsion d'horloge arrive, l'état de sortie commence à basculer. Mais l'état de sortie ne change pas immédiatement. Au lieu de cela, l'état de sortie prend un certain temps pour passer de 0 à 1, ou vice versa. Cela signifie que l'impulsion de sortie et l'impulsion d'horloge en aval du basculeur sont susceptibles d'être désynchronisées.

Le délai de propagation peut être mesuré avec un oscilloscope

Compensation du délai de propagation

De toute évidence, vous ne pouvez pas accélérer un signal d'horloge dans un système numérique, ni accélérer sélectivement les impulsions d'horloge dans différentes parties de votre PCB. Mais vous pouvez retarder l'arrivée de différents signaux dans votre dispositif en ajustant les longueurs des pistes. Ajouter une petite extension peut retarder une impulsion juste assez pour remettre vos signaux en synchronisation. Retarder légèrement la piste d'horloge donnera à vos CI le temps de se stabiliser dans l'état approprié tout en restant synchronisés.

Une compensation adéquate nécessite également de calculer le décalage d'horloge entre différents composants de votre PCB. Votre PCB fonctionne probablement à partir d'une horloge globale qui alimente directement différents composants. Selon la manière dont les pistes se ramifient vers différents composants, un décalage d'horloge peut s'accumuler, nécessitant des temps de préparation et de maintien plus importants pour synchroniser les impulsions d'horloge et de signal.

Une méthode qui peut donner à vos signaux suffisamment de temps pour atteindre leur niveau complet avant la prochaine impulsion d'horloge consiste à serpenter votre piste d'horloge à certains points de votre PCB. Un serpentin peut donner juste le bon délai à votre impulsion d'horloge. Les pistes différentielles doivent être serpentées ensemble et un couplage étroit doit être maintenu.

Donnez à vos dispositifs les pistes dont ils ont besoin pour prospérer

Alors, comment choisir quelles pistes serpenter ? La compensation devrait être appliquée aux pistes de chaque réseau. Tout d'abord, recherchez la longueur de piste de signal la plus longue au sein d'un réseau, et serpentez les pistes restantes de manière à ce que les signaux soient synchronisés sur toutes les pistes. Enfin, ajustez la longueur de la piste d'horloge qui se connecte aux composants de ce réseau. Retardez l'impulsion d'horloge juste assez longtemps pour que les CI puissent monter à la pleine tension.

Délai de Ligne et Temps de Montée/Descente

Le délai de ligne et le délai de propagation en électronique numérique sont parfois utilisés de manière interchangeable. Le délai de ligne a une relation importante avec le délai de propagation et peut créer des problèmes de transmission de signal sous certaines conditions. Plus précisément, le temps de montée ou de descente du signal de sortie doit être comparé au délai de ligne sur la trace de sortie. Lorsque la longueur de la trace est longue, le signal de sortie se déplace comme une impulsion voyageant et peut être réfléchi à un désaccord d'impédance.

Les traces de signal doivent être traitées comme des lignes de transmission sous certaines conditions. Une règle empirique de l'industrie est de terminer la trace du signal de sortie d'un circuit intégré logique lorsque le délai de ligne aller simple de la trace du PCB est égal ou supérieur à la moitié du temps de montée/descente du signal (selon l'arête la plus rapide).

Cela signifie que vous pouvez tolérer un désaccord d'impédance tant que la trace du circuit est suffisamment courte. Lorsque la trace est courte, le signal atteint son niveau de tension complet et la tension de sortie est appliquée sur toute la trace. Plutôt qu'une impulsion voyageant, le signal existe comme une tension constante momentanée entre deux points et il n'y a pas de réflexion de signal.

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