dsd13-gos / dsd-13=СВЧ / Конспект / 6

36

2.8. Тракты коммуникаций в цифровых ИС

В цифровых устройствах с регулярной логической структурой (регистры, делители частоты и т.п.) длина соединительных трактов невелика, и быстродействие устройства в основном определяется быстродействием активных элементов — транзисторов.

В цифровых устройствах с нерегулярной логической структурой (АЛУ) длина соединительных трактов может быть очень большой (порядка размеров кристалла ИС). При этом быстродействие устройства в основном определяется временем, необходимым для изменения реактивной энергии в соединительных трактах.

Рассмотрим, какие именно параметры тракта определяют время задержки логического сигнала.

Для простоты положим, что логические вентили (нелинейные устройства) характеризуются средними значениями входного и выходного сопротивления

и ,

где — логический перепад напряжения.

Для вентилей на биполярных и, тем более, на МДП транзисторах,

(сопротивление источника сигнала >> сопротивления нагрузки).

Для оценочных расчетов положим, что (установившееся значение входного тока равно нулю). Чтобы исследовать свойства именно тракта, пренебрежем также реактивными составляющими входного и выходного импедансов вентилей (емкостями и индуктивностями), и будем полагать, что выходной сигнал вентиля есть идеальный перепад э.д.с. . Соединительный тракт приближенно представим в виде микрополосковой линии без потерь.

Волновое сопротивление линии не может быть более 200 Ом.

Реальные значения:

В; мА; кОм; мВт.

Таким образом, .

Для анализа воспользуемся методом отражений.

Соединительный тракт:

Метод отражений (раздел 2.6) дает:

; (2.6.2)

, (2.6.4)

где . (2.6.3)

Для сигнала в виде ступенчатого перепада напряжения получим:

, где (2.8.1)

; (2.8.2)

. (2.8.3)

1). Трассы между логическими вентилями

В нашем случае ():

; :

;

; ;

.

Учитывая, что и , получим:

где

Тракт моделируется

емкостью!

Почему не имеет значения индуктивность тракта?

Магнитная энергия в линии связи много меньше электрической.

Если согласовать линию на конце, то задержка сигнала снизится до !

Но во столько же раз увеличится рассеяная мощность сигнала:

Линию согласовывают только во внешних (по отношению к ИС) трактах, емкость которых очень велика.

Выходной каскад ЭСЛ:

Достаточно согласовать линию

только на конце — отраженный

сигнал не придет.

2). Трассы шин

Иногда необходимо передавать сигналы через очень длинные шины (например, тактовые импульсы в цифровых ИС синхронного типа). Для снижения задержки распространения сигнала () используются мощные драйверы шин с низким выходным сопротивлением .

Положим, что (), а сигнал имеет форму ступенчатого перепада напряжения.

В предельном случае , , и из (2.8.1) - (2.8.3) получим:

;

, где .

Учитывая, что и , получим:

где .

На практике перепады напряжения сглажены конечными фронтами импульсов и реактивной нагрузкой.

Длительность переходных процессов определяется большей из постоянных времени и :

.

При согласованной нагрузке сигнал распространяется по тракту со скоростью света

(1см  100пс).

В ИМС на основе сверхпроводящих элементов Джозефсона Ом. Тракты соединений можно выполнять в виде микрополосковых линий с Ом, а перед нагрузкой включать резисторы Ом.