Tutto quello che c'è da sapere su CMOS, ECL e ritardo di propagazione TTL nei PCB ad alta velocità

Ricordo ancora il computer 386 di seconda mano che i miei genitori mi regalarono da bambino. Mi è stato utile per scrivere semplici programmi qBasic e trascorrere ore a giocare, ma non potrebbe mai reggere il confronto con i computer di oggi.

Con i continui sviluppi dell'architettura informatica e le esigenze dei dispositivi di ultima generazione, il ritardo di propagazione nei circuiti logici è diventato un parametro di progettazione cruciale in numerosi sistemi. In particolare, il ritardo di propagazione TTL non permette più di soddisfare le esigenze odierne. Per questo si è passati alle famiglie logiche CMOS per i segnali ad alta velocità.

Linee di trasmissione e porte logiche a confronto

Il termine “ritardo di propagazione” è talvolta utilizzato in modo intercambiabile con numerosi altri termini e in contesti diversi. Quando si parla del comportamento dei segnali sulle linee di trasmissione, il ritardo di propagazione si riferisce alla quantità di tempo necessaria perché un segnale, digitale o analogico, percorra una linea di trasmissione dalla sorgente alla destinazione. Questo intervallo di tempo viene talvolta chiamato ritardo di trasmissione o ritardo di linea, ma questi termini sono molto meno comuni. Gli esperti di microonde utilizzano il termine ritardo di gruppo poiché è associato alla velocità di gruppo di un inviluppo dell'impulso, un parametro particolarmente importante quando si parla di segnali analogici modulati.

Ritardo di propagazione nei circuiti logici

Il ritardo di propagazione nei circuiti logici non ha molto a che fare con la quantità di tempo necessaria perché un segnale percorra lo spazio fra l'ingresso e l'uscita. Si riferisce principalmente al tempo di commutazione e al tempo di assestamento, ovvero il tempo necessario perché un segnale in ingresso determini una transizione tra gli stati ON e OFF, assestando l'uscita nella sua tensione finale.

La tensione in uscita di un circuito digitale non può commutarsi istantaneamente a causa della capacità di carica in uscita, della geometria delle porte, della mobilità dei portatori di carica in uscita e altre caratteristiche dei transistor in una porta logica. In altre parole, il ritardo di propagazione equivale alla somma di tutti i tempi necessari per avviare la sequenza di eventi di commutazione nel circuito.

Famiglia logica TTL

Per quanto riguarda i dispositivi TTL, è necessario trovare un compromesso tra consumo energetico e ritardo di propagazione. Il ritardo di propagazione dei TTL è pari o inferiore a ~33 ns, a seconda della sotto-famiglia. I TTL ad alta velocità hanno un ritardo di propagazione che raggiunge i 6 ns, sebbene questa sotto-famiglia abbia un maggiore consumo energetico rispetto ad altri sottotipi.

Un buon compromesso potrebbe essere un dispositivo che utilizzi un TTL Schottky a basso consumo e con un ritardo di propagazione di~10 ns.

Logica ECL e CMOS a confronto con TTL

CMOS è la famiglia logica standard utilizzata nella maggior parte dei circuiti integrati a eccezione delle applicazioni specializzate. Rispetto alla logica TTL e alle loro sotto-famiglie, l'ECL è un'architettura molto più rapida, ormai ampiamente utilizzata nell'architettura informatica da diverso tempo. L'ECL offre un ritardo di propagazione fino a ~1 ns e questo lo rende particolarmente utile per frequenze di clock misurate in GHz.

Lo svantaggio degli ECL è che si tratta di una famiglia logica interamente bipolare, quindi con un assorbimento di potenza significativo rispetto ai CMOS. Sebbene gli ECL e le architetture più avanzate offrano velocità di trasmissione dati elevate, i CMOS restano la pietra angolare in ambito VLSI, Very Large Scale Integration, con frequenze di clock fino a 4 GHz.Sebbene fosse stata la famiglia logica degli ECL a mettere per prima i progettisti di fronte ai problemi d'integrità del segnale ad alta velocità, questa architettura, nella sua forma originale, è sostanzialmente sparita, sostituita dalla famiglia logica CMOS. I dispositivi ECL erano solitamente progettati per funzionare con piccole oscillazioni di segnale tra gli stati ON/OFF. Per questo hanno margini di rumore piuttosto ridotti e il polo negativo dell'alimentazione utilizzato degli ECL può creare problemi quando abbinato a CMOS o altre famiglie logiche. La tecnologia ECL, che utilizzava un'alimentatore a +5 V cambiando Vcc e Vee, ha portato allo sviluppo dei PECL, o pseudo-ECL, moderni.

CMOS e ritardo di propagazione TTL nel PCB

Se si è preoccupati per il ritardo di propagazione di un'unica porta o IO in un circuito integrato, è importante tenere presente che i valori di ritardo di propagazione specificati nelle schede tecniche per i circuiti integrati si riferiscono alla commutazione di una sola uscita del package per volta. In realtà, il ritardo di propagazione aumenta quando più circuiti logici in un package effettuano la commutazione simultaneamente. In altre parole, il rumore di commutazione simultanea (anche noto come "ground bounce") determina un aumento del ritardo di propagazione del componente.

Questo si verifica dal momento che le linee d'alimentazione, le linee d'uscita e il circuito della porta del package hanno induttanza passiva. Quando una porta effettua la commutazione, questo induce un'interferenza elettromagnetica di ritorno nelle altre porte, limitando la velocità alla quale la corrente in uscita effettua la commutazione tra stati logici. Il ritardo di propagazione può aumentare da 100 fino a 1 ns quando un numero elevato di porte effettua la commutazione simultaneamente. Per questo è importante implementare tecniche per l'eliminazione del ground bounce (come ridurre al minimo l'uso di fori di via e posizionare condensatori bypass) se si desidera limitare il ritardo di propagazione.

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