Minimizar o Atraso de Propagação em Portas Lógicas: Sincronizar Trens de Pulso

Quando você tem um relógio analógico, o horário de verão pode causar um verdadeiro caos na sua vida pessoal e profissional. Você pode acordar e nem perceber que está uma hora atrasado. Ninguém quer admitir que foi vítima do horário de verão, e todo o seu cronograma precisa ser ressincronizado quando isso acontece.

Sincronizar seu relógio e os componentes eletrônicos é crítico no design de PCBs de alta velocidade. Aplicações como roteamento de trilhas de barramento, memória DDR de alto desempenho e qualquer circuito de alta velocidade, em geral, requerem um timing preciso dos pulsos de sinal e de relógio. O atraso de propagação em portas lógicas, como uma porta xor ou porta NAND, pode corromper dados e desincronizar componentes críticos com o relógio do sistema. Além disso, os tempos de configuração (setup) e espera (hold) requerem um roteamento preciso das trilhas de relógio e sinal. Se qualquer tensão de alimentação for retida com um atraso de porta ou algo do tipo, qualquer circuito integrado pode experimentar problemas. Mas o que é atraso de propagação em eletrônica digital?

Tempos de Configuração e Espera

O atraso de propagação em portas lógicas geralmente refere-se ao tempo de subida ou descida em portas lógicas. Esse é o tempo necessário para uma porta lógica mudar seu estado de saída com base em uma mudança no estado de entrada. Isso ocorre devido à capacitância inerente na porta lógica. No passado, quando as taxas de transmissão de relógio e dados eram mais lentas, o atraso de propagação geralmente não causava grandes problemas em circuitos digitais porque os tempos de subida e descida eram comparativamente mais rápidos.

Atualmente, a situação não é tão conveniente. Circuitos de alta velocidade podem ter frequências de relógio comparáveis ao atraso de propagação em eletrônica digital. O resultado é que os dados movendo-se pelo sistema podem estar fora de sincronia com o relógio, como de um atraso de propagação de porta lógica, o que pode causar estragos no seu dispositivo. Componentes podem não operar conforme projetado devido a essa incompatibilidade. O atraso de propagação de porta lógica, ou qualquer outro tipo de atraso de propagação em qualquer circuito, também pode causar corrupção de dados em aplicações intensivas de dados.

Como exemplo, considere um flip-flop de borda de subida que está configurado para alternar no próximo pulso de relógio. Quando a borda de subida do pulso de relógio chega, o estado de saída começa a alternar. Mas o estado de saída não muda imediatamente. Em vez disso, o estado de saída leva algum tempo para subir de 0 para 1, ou vice-versa. Isso significa que o pulso de saída e o pulso de relógio a jusante do flip-flop provavelmente estarão fora de sincronia.

O atraso de propagação pode ser medido com um osciloscópio

Compensando o Atraso de Propagação

Obviamente, você não pode acelerar um sinal de relógio em um sistema digital, nem pode acelerar seletivamente pulsos de relógio em diferentes partes da sua PCB. Mas você pode atrasar a chegada de diferentes sinais no seu dispositivo ajustando os comprimentos dos traços. Adicionar uma pequena extensão pode atrasar um pulso o suficiente para trazer seus sinais de volta à sincronia. Atrasar o traço do relógio apenas ligeiramente dará aos seus CI's tempo para se estabilizarem no estado adequado e ainda permanecerem sincronizados.

A compensação adequada também requer o cálculo do atraso de relógio entre diferentes componentes em seu PCB. Provavelmente, seu PCB funciona a partir de um relógio global que alimenta diretamente diferentes componentes. Dependendo de como as trilhas se ramificam para diferentes componentes, o atraso de relógio pode se acumular, exigindo maiores tempos de configuração e espera para sincronizar pulsos de relógio e sinal.

Um método que pode dar aos seus sinais tempo suficiente para atingir o nível completo antes do próximo pulso de relógio é serpentear sua trilha de relógio em certos pontos do seu PCB. Uma serpentina pode dar ao seu pulso de relógio o atraso exato necessário. Trilhas diferenciais devem ser serpenteadas juntas e uma acoplagem próxima deve ser mantida.

Dê aos seus dispositivos as trilhas de que eles precisam para prosperar

Então, como você escolhe quais trilhas serpentear? A compensação deve ser aplicada a trilhas em cada rede. Primeiro, procure pelo comprimento de trilha de sinal mais longo dentro de uma rede, e serpenteie as trilhas restantes de modo que os sinais sejam sincronizados em todas as trilhas. Finalmente, ajuste o comprimento da trilha de relógio que se conecta aos componentes nesta rede. Atrase o pulso de relógio apenas o tempo suficiente para que os CI possam subir para a tensão completa.

Atraso de Linha e Tempos de Subida/Descida

Atraso de linha e atraso de propagação em eletrônica digital são, às vezes, usados de forma intercambiável. O atraso de linha tem uma relação importante com o atraso de propagação e pode criar problemas de transmissão de sinal sob certas condições. Especificamente, o tempo de subida ou descida do sinal de saída deve ser comparado ao atraso de linha sobre o traçado de saída. Quando o comprimento do traçado é longo, o sinal de saída move-se como um pulso viajante e pode ser refletido em uma incompatibilidade de impedância.

Os traçados de sinal devem ser tratados como linhas de transmissão sob certas condições. Uma regra prática da indústria é terminar o traçado de sinal de saída de um CI lógico quando o atraso de linha unidirecional do traçado da PCB é igual ou maior que metade do tempo de subida/descida do sinal (qualquer que seja a borda mais rápida).

Isso significa que você pode tolerar uma incompatibilidade de impedância contanto que o traçado do sinal do circuito seja curto o suficiente. Quando o traçado é curto, o sinal sobe até seu nível de tensão total e a tensão de saída é aplicada em todo o traçado. Em vez de um pulso viajante, o sinal existe como uma tensão constante momentânea entre dois pontos e não há reflexão de sinal.

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