Debido al enorme aumento en la complejidad e integración del diseño de sistemas, los diseñadores de sistemas electrónicos trabajan actualmente en circuitos que operan a más de 100 MHz. Las frecuencias de operación del bus han alcanzado o superado los 50 MHz, e incluso algunas superan los 100 MHz. En la actualidad, aproximadamente 501 TP4T de diseños presentan frecuencias de reloj superiores a 50 MHz, y casi 201 TP4T tienen frecuencias principales superiores a 120 MHz.
Cuando los sistemas operan a 50 MHz, surgen problemas de integridad de la señal y efectos en la línea de transmisión. A velocidades de reloj de 120 MHz, las placas de circuito impreso diseñadas con métodos tradicionales fallarán a menos que se apliquen conocimientos especializados en 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/una Circuito PCB de alta velocidad?
Generalmente se acepta que los circuitos lógicos digitales que operan a frecuencias de 45 MHz a 50 MHz o superiores, donde los circuitos que funcionan a estas frecuencias constituyen una parte 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 señal superan la frecuencia fundamental de la señal. Las transiciones rápidas durante los flancos de subida y bajada (o transiciones de señal) provocan consecuencias no deseadas en la propagación de la señal. Por lo tanto, se acepta generalmente que si el retardo de propagación en la línea supera la mitad del tiempo de subida del flanco de la señal digital, dichas señales se consideran de alta velocidad y presentan efectos de línea de transmisión.
La transmisión de señales ocurre instantáneamente durante las transiciones de estado, como los tiempos de subida o bajada. Las señales viajan desde el emisor al receptor en un tiempo fijo. Si el tiempo de propagación es menor que la mitad del tiempo de subida o bajada, la señal reflejada del receptor llegará al emisor antes de que cambie el estado de la señal. En caso contrario, la señal reflejada llegará después del cambio de estado. Si la señal reflejada es suficientemente fuerte, 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 siguiente muestra la relación entre el tiempo de subida de la señal y la longitud de enrutamiento permitida (retardo).
La latencia por pulgada en una PCB es de 0,167 ns. Sin embargo, esta latencia aumenta con el número de vías, pines de dispositivos y limitaciones de la 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 en la línea de señal. Si Tr ≥ 4Tpd, la señal se encuentra dentro de la región segura. Si 2Tpd ≥ Tr ≥ 4Tpd, la señal se encuentra dentro de la región incierta. Si Tr ≤ 2Tpd, la señal se encuentra dentro de la región problemática. Para señales que se encuentren dentro de las regiones incierta o problemática, se deben emplear técnicas de enrutamiento de alta velocidad.
¿Qué es una línea de transmisión?
Las pistas en una placa de circuito impreso (PCB) se pueden modelar 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 para la resistencia en serie es de 0,25 a 0,55 ohmios por pie.
Debido a la capa aislante, el valor de la resistencia en paralelo suele ser muy alto. Tras añadir la resistencia, la capacitancia y la inductancia parásitas a la pista real del 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, se acerca al plano de alimentación/tierra o aumenta la constante dieléctrica de la capa aislante.
Si la línea de transmisión y el extremo receptor presentan impedancias desadaptadas, la señal de corriente de salida y su estado estacionario final diferirán. Esto provoca reflexiones en el extremo receptor, donde la señal reflejada viaja de regreso a la fuente y se refleja nuevamente. A medida que la energía disminuye, la amplitud de la señal reflejada se reduce hasta que el voltaje y la corriente de la señal se estabilizan. Este efecto se denomina oscilación, y las oscilaciones de la señal suelen ser visibles tanto en el flanco ascendente como en el descendente.
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