5 consejos para una mejor alta

Kerry Chaika | 25 de mayo de 2023

El diseño de circuitos de alta velocidad es una de las áreas más fundamentales, pero desafiantes, del diseño electrónico. Los circuitos de alta velocidad se usan comúnmente en la actualidad, ya que los estándares como USB, HDMI y PCIe requieren que la mayoría de los ingenieros eléctricos profesionales profundicen en el mundo de la alta velocidad. Mirando hacia el futuro, vemos una tendencia general de aumento de las frecuencias de reloj en todos los ámbitos, lo que significa que las señales de alta velocidad serán aún más comunes. Si usted es un diseñador de electrónica hoy en día, simplemente no puede evitar la alta velocidad.

Las señales de alta velocidad presentan una complejidad adicional y desafíos técnicos únicos que hacen que el diseño de hardware sea menos sencillo. Una de estas consideraciones técnicas es la adaptación de impedancia, un área única y menos conocida del diseño de circuitos. En esta contribución, cubriré los conceptos básicos de la adaptación de impedancia y compartiré 5 consejos para garantizar que cualquier diseño de circuito de alta velocidad funcione según lo previsto.

Para entender cómo diseñar circuitos de alta velocidad, primero debemos observar la teoría de la línea de transmisión.

Todos los conductores en un circuito eléctrico tienen una impedancia característica dadas las contribuciones agregadas de capacitancia, inductancia y resistencia parásitas. En la mayoría de los sistemas de baja velocidad, el impacto de estos parásitos es insignificante ya que los efectos de la inductancia y la capacitancia aumentan con la frecuencia. Sin embargo, una vez que las frecuencias comienzan a ser lo suficientemente altas, estos parásitos ya no son despreciables y los efectos de la línea de transmisión entran en juego.

Específicamente, esto sucede cuando la longitud de onda de una señal se vuelve comparable a la longitud física del conductor. Alternativamente, cuando la longitud de la interconexión en pulgadas es mayor que el doble del tiempo de subida de la señal en nanosegundos, los efectos de la línea de transmisión serán relevantes.

Un circuito que está sujeto a los efectos de la línea de transmisión se caracteriza por su impedancia característica, comúnmente denotada por Z0, que es una abstracción matemática del comportamiento de la línea de transmisión que está determinada por la geometría de la línea. En los circuitos de alta velocidad, la impedancia característica es relevante porque si hay una discrepancia entre la impedancia de carga (o fuente) y la impedancia característica de la línea, el circuito experimentará reflejos de señal. En otras palabras, si la impedancia de la carga (o fuente) no es exactamente igual a la impedancia característica de la línea, parte de la energía de la señal se reflejará a lo largo de la línea. La proporción de reflexión de la señal se define mediante la ecuación (Zl-Z0/Zl+Z0).

Los reflejos son extremadamente perjudiciales para el rendimiento del circuito porque provocan distorsión de la señal y patrones de ondas estacionarias a lo largo de la línea de transmisión. Cuando la señal se distorsiona, su integridad se ve comprometida, la calidad de la señal se degrada y los datos en el bus pueden corromperse. Si no se presta especial atención a los efectos de la línea de transmisión, los circuitos de alta velocidad pueden fallar por completo.

Para mitigar los efectos de los reflejos de la señal en los circuitos de alta velocidad, debemos controlar las impedancias que encontrará la señal a lo largo de nuestro diseño.

La coincidencia de impedancia, o control de impedancia, es una técnica en el diseño de placa de circuito impreso (PCB) en la que usted diseña selectivamente sus trazas de PCB de modo que los reflejos de la señal se mantengan al mínimo.

En la mayoría de los casos, la impedancia objetivo para su señal estará definida por el protocolo y las partes que implementan ese protocolo. Por ejemplo, USB generalmente requiere una impedancia diferencial objetivo de 90 ohmios, mientras que muchos protocolos estándar de terminación única especifican 50 ohmios como objetivo.

Un diseñador puede controlar la impedancia de sus huellas eligiendo juiciosamente la geometría de la huella y haciendo coincidir esas dimensiones con las propiedades del material del sustrato. Las principales variables geométricas aquí son el ancho de la traza, el grosor y la distancia a los planos de tierra, todos los cuales impactan directamente en la impedancia de una señal. Otras variables basadas en el material incluyen las propiedades del sustrato, como la constante dieléctrica. En la práctica, estos valores se determinarán mediante el uso de una calculadora de PCB que a menudo es externa a la herramienta de diseño de PCB.

Realizar la coincidencia de impedancia también variará según el tipo de señal que tenga y cómo se enruta. Por ejemplo, cuando trabaje con señales diferenciales, debe considerar el acoplamiento entre señales en los cálculos de impedancia. Aquí, la distancia entre trazas también será una variable importante en el control de la impedancia. En muchos casos, las señales de alta velocidad se enrutarán como pares diferenciales.

Con una comprensión más profunda del comportamiento de los circuitos de alta velocidad y la adaptación de impedancias, ahora exploraremos algunas consideraciones críticas para el diseño de circuitos de alta velocidad. Los siguientes 5 consejos son cosas que he aprendido a lo largo de mi carrera como diseñador de hardware. Si implementa estas 5 consideraciones en sus diseños de alta velocidad, puede estar seguro de que su circuito funcionará como se espera.

Como se discutió anteriormente, si está operando a altas velocidades de señal, es necesario tener impedancias controladas y adaptadas en su diseño. Su impedancia objetivo se definirá por el tipo de bus con el que está trabajando (p. ej., USB de 90 ohmios), y debe usar el ancho de trazo y el espaciado correctos para alcanzar su impedancia objetivo y asegurarse de que la impedancia sea constante en toda la ruta.

Las señales de alta velocidad son susceptibles al ruido y también crean ruido que afecta las señales cercanas. Para minimizar los efectos de este ruido en su circuito, es aconsejable usar protectores de tierra (GND) en ambos lados de la señal. Por ejemplo, si su señal está en la capa 2 de la placa de circuito impreso, asegúrese de que la capa 1 y la capa 3 rodeen la señal con un suelo sólido. Recuerde que la distancia de su señal a GND es lo que define su impedancia, así que no cambie el posicionamiento de GND sin considerar cómo afecta la impedancia. Las referencias a tierra inconsistentes también causarán discontinuidades de impedancia.

En general, se recomienda evitar el uso de vías al enrutar señales de alta velocidad, pero esto no siempre es posible. Cuando el uso de vías es inevitable, recuerde que a medida que su par de señales cambia de capa, su referencia de tierra también debe cambiar de capa. La impedancia característica de la señal está definida por la señal y su ruta de retorno. Por lo tanto, para mantener la impedancia constante y evitar reflejos, debe asegurarse de que su corriente de retorno GND tenga un camino tan limpio como la señal misma. Esto significa que si su par de señales hace referencia a una capa GND determinada y el par de señales se desplaza a otra capa, la capa GND referenciada original debe desplazarse en consecuencia. De lo contrario, las rutas de retorno serán discontinuas y su impedancia característica estará fuera de especificación.

Más allá de la coincidencia de impedancias, otro concepto importante en el diseño de circuitos de alta velocidad es la coincidencia de longitudes. Las señales tienen retrasos de propagación que determinan cuánto tarda una señal en viajar del transmisor al receptor. Para garantizar que las señales lleguen en los momentos correctos, la longitud de los rastros de la señal debe coincidir en consecuencia. Una regla general es que una señal en una PCB viajará ~6 mil/picosegundo. La coincidencia de longitud puede tomar dos formas: coincidencia de P/N y coincidencia de bus. La coincidencia de P/N significa que debe asegurarse de que y N señales en un par diferencial se emparejan con la misma longitud. Si no lo son, las señales se vuelven susceptibles al ruido y la radiación que impactan negativamente en la reconstrucción del nivel de bits de la señal.

La coincidencia de bus significa que, en las señales que están referenciadas a un reloj, las señales de datos deben llegar al receptor al mismo tiempo que la señal del reloj, o lo más cerca posible. Para hacer esto, las trazas de la señal del bus deben tener la misma longitud que la señal del reloj.

Un consejo menos conocido es cómo suavizar las discontinuidades de impedancia en un circuito de alta velocidad. Si tiene una instancia en la que su trazo no es tan ancho como el pad al que se conecta, el punto donde se encuentran el trazo y el pad representa una discontinuidad de impedancia (diferentes anchos = ¡diferentes impedancias!) Para suavizar esta discontinuidad, un truco del oficio es anular el plano GND debajo de la plataforma (que tiene un ancho mayor que la traza) y en su lugar hacer referencia a la plataforma a un plano GND una capa más abajo. Al hacer esto, aumentará la distancia entre el pad y GND, y compensará efectivamente el impacto del aumento del ancho en la impedancia. Esta compensación limitará los desajustes de impedancia.

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