Con el enorme aumento de la complejidad e integración del diseño de sistemas, los diseñadores de sistemas electrónicos trabajan ahora en circuitos que operan por encima de 100 MHz. Las frecuencias de operación del bus han alcanzado o superado los 50 MHz, y algunas incluso superan los 100 MHz. Actualmente, aproximadamente 50% de diseños presentan frecuencias de reloj superiores a 50 MHz, y casi 20% tienen frecuencias principales superiores a 120 MHz.
Cuando los sistemas operan a 50 MHz, surgen efectos en la línea de transmisión y problemas de integridad de la señal. A velocidades de reloj de 120 MHz, las PCB diseñadas con métodos tradicionales fallarán a menos que se apliquen conocimientos técnicos de diseño de circuitos de alta velocidad.
En consecuencia, las técnicas de diseño de circuitos de alta velocidad se han convertido en herramientas esenciales para los diseñadores de sistemas electrónicos. Solo mediante la aplicación de metodologías de diseño de alta velocidad se puede controlar eficazmente el proceso de diseño.
¿Qué es un? circuito PCB de alta velocidad?
Se acepta generalmente que los circuitos lógicos digitales que funcionan a frecuencias de 45 MHz a 50 MHz o más, donde los circuitos que funcionan a estas frecuencias constituyen una porción significativa (por ejemplo, un tercio) de todo el sistema electrónico, se clasifican como circuitos de alta velocidad.
En realidad, las frecuencias armónicas de los flancos de la señal superan su frecuencia fundamental. Las transiciones rápidas durante los flancos de subida y bajada (o transiciones de señal) tienen consecuencias imprevistas en su propagación. Por lo tanto, se acepta generalmente que si el retardo de propagación de la línea supera la mitad del tiempo de subida del flanco de excitación de la señal digital, dichas señales se consideran de alta velocidad y presentan efectos de línea de transmisión.
La transmisión de señales se produce instantáneamente durante las transiciones de estado, como los tiempos de subida o bajada. Las señales viajan del controlador al receptor durante un tiempo fijo. Si el tiempo de propagación es inferior a la mitad del tiempo de subida o bajada, la señal reflejada del receptor llegará al controlador antes de que cambie el estado de la señal. Por el contrario, la señal reflejada llegará después del cambio de estado. Si la señal reflejada es lo suficientemente intensa, la forma de onda superpuesta puede alterar el estado lógico.
Determinación de señales de alta velocidad
Anteriormente, definimos los requisitos previos para los efectos de la línea de transmisión. Pero ¿cómo determinamos si el retardo de la línea supera la mitad del tiempo de subida de la señal en el extremo del controlador? Normalmente, el tiempo de subida se especifica en los manuales del dispositivo, mientras que el retardo de propagación en el diseño de la PCB depende de la longitud real del enrutamiento. La figura a continuación muestra la relación entre el tiempo de subida de la señal y la longitud de enrutamiento admisible (retardo).
El retardo por pulgada en una PCB es de 0,167 ns. Sin embargo, los retardos aumentan con numerosas vías, pines del dispositivo y restricciones de red. Los dispositivos lógicos de alta velocidad suelen tener un tiempo de subida de señal de aproximadamente 0,2 ns. Si la placa contiene chips de GaAs, la longitud máxima de enrutamiento es de 7,62 mm.
Sea Tr el tiempo de subida de la señal y Tpd el retardo de propagación de la línea de señal. Si Tr ≥ 4Tpd, la señal se encuentra en la zona segura. Si 2Tpd ≥ Tr ≥ 4Tpd, la señal se encuentra en la zona incierta. Si Tr ≤ 2Tpd, la señal se encuentra en la zona problemática. Para las señales que se encuentran en las zonas inciertas o problemáticas, se deben emplear técnicas de enrutamiento de alta velocidad.
¿Qué es una línea de transmisión?
Las trazas de una placa PCB pueden modelarse de forma equivalente como las estructuras de capacitancia, resistencia e inductancia en serie y en paralelo que se muestran en el diagrama a continuación. El valor típico de la resistencia en serie es de 0,25 a 0,55 ohmios/pie.
Debido a la capa aislante, el valor de la resistencia en paralelo suele ser muy alto. Tras añadir resistencia parásita, capacitancia e inductancia a la pista de la PCB, la impedancia resultante a lo largo de la pista se denomina impedancia característica Zo. Zo disminuye a medida que aumenta el ancho de la pista, esta se acerca al plano de alimentación/tierra o aumenta la constante dieléctrica de la capa de aislamiento.
Si la línea de transmisión y el extremo receptor tienen impedancias desiguales, la señal de corriente de salida y el estado estable final de la señal serán diferentes. Esto provoca reflexiones en el extremo receptor, donde la señal reflejada regresa a la fuente y se refleja de nuevo. A medida que disminuye la energía, la amplitud de la señal reflejada disminuye hasta que el voltaje y la corriente se estabilizan. Este efecto se denomina oscilación, y las oscilaciones de la señal suelen ser visibles tanto en los flancos ascendentes como descendentes.
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