Минимизация задержки распространения в логических вентилях: Синхронизация поездов импульсов

Когда у вас аналоговые часы, переход на летнее время может серьезно нарушить ваш личный и профессиональный распорядок. Может случиться так, что вы проснетесь и даже не осознаете, что опоздали на час. Никто не хочет признавать, что стал жертвой перехода на летнее время, и в таком случае весь ваш распорядок приходится синхронизировать заново.

Синхронизация вашего часов и электронных компонентов критически важна при разработке высокоскоростных печатных плат. Приложения, такие как трассировка шин, высокопроизводительная память DDR и любые высокоскоростные схемы в целом, требуют точного синхронизма сигнальных и тактовых импульсов. Задержка распространения в логических вентилях, таких как вентиль XOR или NAND, может исказить данные и вывести из строя критически важные компоненты, десинхронизируя их с системным тактовым сигналом. Кроме того, времена установки и удержания требуют точной трассировки тактовых и сигнальных дорожек. Если любое напряжение питания задерживается из-за задержки в вентиле или чем-то подобном, любая интегральная схема может столкнуться с проблемами. Но что такое задержка распространения в цифровой электронике?

Времена установки и удержания

Задержка распространения в логических элементах обычно относится к времени нарастания или времени спада в логических элементах. Это время, необходимое логическому элементу для изменения своего выходного состояния в зависимости от изменения входного состояния. Это происходит из-за внутренней ёмкости логического элемента. В прошлом, когда скорости тактовых сигналов и передачи данных были медленнее, задержка распространения обычно не вызывала серьёзных проблем в цифровых схемах, поскольку времена нарастания и спада были сравнительно быстрее.

В настоящее время ситуация не так удобна. Высокоскоростные схемы могут иметь тактовые частоты, сопоставимые с задержкой распространения в цифровой электронике. В результате данные, перемещающиеся по системе, могут быть не синхронизированы с тактовым сигналом, например, из-за задержки распространения в логическом элементе, что может нанести серьёзный ущерб вашему устройству. Компоненты могут не работать как предполагалось из-за этого несоответствия. Задержка распространения в логических элементах или любой другой тип задержки распространения в любой схеме также может вызвать повреждение данных в приложениях, интенсивно использующих данные.

В качестве примера рассмотрим триггер с фронтальным срабатыванием, который настроен на переключение при следующем тактовом импульсе. Когда приходит фронт тактового импульса, выходное состояние начинает переключаться. Но выходное состояние не переключается мгновенно. Вместо этого выходному состоянию требуется некоторое время, чтобы перейти с 0 на 1 или наоборот. Это означает, что выходной импульс и тактовый импульс, идущие от триггера, вероятно, будут не синхронизированы.

Задержку распространения можно измерить с помощью осциллографа

Компенсация задержки распространения

Очевидно, что вы не можете ускорить тактовый сигнал в цифровой системе, также как вы не можете выборочно ускорять тактовые импульсы в разных частях вашей печатной платы. Но вы можете задержать приход различных сигналов в вашем устройстве, регулируя длины трасс. Добавление небольшого удлинения может задержать импульс как раз достаточно, чтобы ваши сигналы снова синхронизировались. Незначительная задержка трассы тактового сигнала даст вашим интегральным схемам время для перехода в правильное состояние и оставаться в синхронизации.

Правильная компенсация также требует расчета задержки сигнала часов между различными компонентами на вашей печатной плате. Скорее всего, ваша плата работает от глобальных часов, которые напрямую подключены к различным компонентам. В зависимости от того, как разветвляются дорожки к разным компонентам, может накапливаться задержка сигнала часов, что требует большего времени настройки и удержания для синхронизации импульсов часов и сигналов.

Один из методов, который может дать вашим сигналам достаточно времени для достижения полного уровня перед следующим импульсом часов, - это создание изгибов на дорожке часов в определенных точках на вашей печатной плате. Змеевидный изгиб может дать вашему импульсу часов как раз необходимую задержку. Дифференциальные дорожки должны быть изогнуты вместе, и необходимо поддерживать тесное соединение.

Обеспечьте вашим устройствам дорожки, необходимые для их эффективной работы

Так как же выбрать, какие дорожки делать изогнутыми? Компенсация должна быть применена к дорожкам в каждой сети. Сначала найдите дорожку сигнала с самой длинной длиной в сети, и сделайте изгибы на остальных дорожках так, чтобы сигналы были синхронизированы по всем дорожкам. Наконец, отрегулируйте длину дорожки часов, которая соединяет компоненты в этой сети. Задержите импульс часов на как раз достаточное время, чтобы микросхемы могли подняться до полного напряжения.

Задержка линии и время нарастания/спада

Задержка линии и задержка распространения в цифровой электронике иногда используются как взаимозаменяемые термины. Задержка линии имеет важное значение для задержки распространения и может создавать проблемы с передачей сигнала при определенных условиях. В частности, время нарастания или спада выходного сигнала должно сравниваться с задержкой линии на выходном следе. Когда длина следа велика, выходной сигнал перемещается как путешествующий импульс и может отражаться при несоответствии импеданса.

Следы сигналов должны рассматриваться как линии передачи при определенных условиях. Одно из практических правил индустрии заключается в том, чтобы завершать выходной след сигнала от логического ИС, когда однонаправленная задержка линии на печатной плате равна или больше половины времени нарастания/спада сигнала (в зависимости от того, какой фронт быстрее).

Это означает, что вы можете избежать несоответствия импеданса, если длина следа сигнала достаточно коротка. Когда след короткий, сигнал достигает своего полного уровня напряжения, и выходное напряжение прикладывается ко всему следу. Вместо путешествующего импульса, сигнал существует как мгновенное постоянное напряжение между двумя точками, и отражение сигнала отсутствует.

Отличное программное обеспечение для разработки печатных плат, такое как Altium Designer^®, упрощает проектирование как простых схем, так и сложных высокоскоростных устройств. Интегрированные библиотеки компонентов и инструмент ActiveRoute^® помогут избежать проблем, связанных с задержкой распространения в логических вентилях.

Если вы хотите узнать, как Altium Designer может помочь вам создать ваше следующее высокоскоростное устройство, обратитесь к эксперту Altium Designer уже сегодня.