ロジックゲートの伝搬遅延を最小限に抑える：パルス列を同期させる

アナログ時計を使用している場合、夏時間は個人的な生活や職業生活に大きな混乱をもたらすことがあります。起きたときにスケジュールが1時間狂っていることに気づかないこともあります。誰もが夏時間の犠牲になったことを認めたくないものですが、これが起こると、スケジュールを再同期させなければなりません。

時計と電子部品を同期させることは、高速PCB設計において重要です。バストレースルーティング、高性能DDRメモリ、一般的な高速回路などのアプリケーションでは、信号とクロックパルスの正確なタイミングが必要です。xorゲートやNANDゲートなどのロジックゲートの伝搬遅延は、データを破損させ、重要なコンポーネントをシステムクロックと同期させることができなくなります。さらに、セットアップ時間とホールド時間は、クロックと信号のトレースを正確にルーティングすることを要求します。ゲート遅延などで供給電圧が停止すると、任意の集積回路が問題を経験する可能性があります。しかし、デジタル電子機器における伝搬遅延とは何でしょうか？

セットアップ時間とホールド時間

ロジックゲートにおける伝搬遅延は、通常、ロジックゲートの立ち上がり時間または立ち下がり時間を指します。これは、入力状態の変化に基づいてロジックゲートが出力状態を変更するまでの時間です。これは、ロジックゲートに固有のキャパシタンスによって発生します。過去には、クロックやデータ伝送速度が遅かったため、伝搬遅延はデジタル回路において主要な問題を引き起こすことは通常ありませんでした。なぜなら、立ち上がり時間や立ち下がり時間が比較的速かったからです。

しかし、現在の状況はそれほど便利ではありません。高速回路では、クロック周波数がデジタル電子機器の伝搬遅延と同等になることがあります。その結果、システム内を移動するデータがクロックと同期していない可能性があります。例えば、ロジックゲートの伝搬遅延によって、デバイスに深刻な影響を及ぼすことがあります。この不一致のために、コンポーネントが設計通りに動作しないことがあります。ロジックゲートの伝搬遅延、または回路内の他の任意のタイプの伝搬遅延は、データ集約型アプリケーションでデータ破損を引き起こすこともあります。

例として、次のクロックパルスでトグルするように設定された立ち上がりエッジフリップフロップを考えてみましょう。クロックパルスの立ち上がりエッジが到着すると、出力状態はトグルし始めます。しかし、出力状態は即座に切り替わりません。代わりに、出力状態が0から1へ、またはその逆へ上昇するのには時間がかかります。これは、フリップフロップの下流にある出力パルスとクロックパルスが同期していない可能性があることを意味します。

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伝搬遅延はオシロスコープで測定できます

伝搬遅延の補償

明らかに、デジタルシステムでクロック信号を速めることはできませんし、PCBの異なる部分でクロックパルスを選択的に速めることもできません。しかし、トレースの長さを調整することで、デバイス内の異なる信号の到着を遅らせることができます。小さな延長を加えることで、パルスをわずかに遅らせ、信号を再び同期させることができます。クロックトレースをわずかに遅らせることで、ICが適切な状態に落ち着く時間を与え、それでも同期を保つことができます。

適切な補償には、PCB内の異なるコンポーネント間のクロックスキューを計算することも必要です。ほとんどの場合、PCBはグローバルクロックによって動作し、それが直接異なるコンポーネントに供給されます。トレースが異なるコンポーネントに分岐する方法によって、クロックスキューが蓄積され、クロックと信号パルスを同期させるためにより大きなセットアップ時間とホールド時間が必要になることがあります。

信号が次のクロックパルス前に完全レベルに達するのに十分な時間を与える方法の一つは、PCBの特定のポイントでクロックトレースを迂回させることです。蛇行迂回はクロックパルスにちょうど良い遅延を与えることができます。差動トレースは一緒に迂回させ、密接な結合を維持する必要があります。

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デバイスに必要なトレースを提供する

では、どのトレースを迂回させるべきか、どうやって選ぶのでしょうか？補償は各ネットのトレースに適用されるべきです。まず、ネット内で最も長い信号トレースの長さを探し、残りのトレースがすべてのトレースを通じて信号が同期されるように迂回させます。最後に、このネットのコンポーネントに接続するクロックトレースの長さを調整します。ICが完全電圧に達するのに十分な時間だけクロックパルスを遅延させます。

ライン遅延と立ち上がり/立ち下がり時間

デジタル電子回路において、線路遅延と伝搬遅延は時々、同じ意味で使われることがあります。線路遅延は伝搬遅延と重要な関係があり、特定の条件下では信号伝送の問題を引き起こすことがあります。具体的には、出力信号の立ち上がり時間または立ち下がり時間を出力トレース上の線路遅延と比較する必要があります。トレースの長さが長い場合、出力信号は移動するパルスとして動き、インピーダンスの不一致で反射されることがあります。

特定の条件下では、信号トレースを伝送線として扱う必要があります。業界の経験則の一つに、PCBトレースの片道線路遅延が信号の立ち上がり/立ち下がり時間（どちらのエッジが速いか）の半分以上に等しいかそれ以上の場合、ロジックICからの出力信号トレースを終端することがあります。

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これは、回路の信号トレースが十分に短い限り、インピーダンスの不一致があっても問題ないことを意味します。トレースが短い場合、信号はその完全な電圧レベルまで上昇し、出力電圧はトレース全体に適用されます。移動するパルスではなく、信号は二点間の一時的な定電圧として存在し、信号の反射はありません。

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