Métodos para mitigar los efectos en las líneas de transmisión | PCB de alta velocidad
Para abordar los impactos introducidos por lo mencionado anteriormente problemas con la línea de transmisión, Discutimos métodos para controlar estos efectos desde las siguientes perspectivas.
1. Controlar estrictamente la longitud de enrutamiento de las líneas de red críticas
Si el diseño implica transiciones de borde de alta velocidad, se deben considerar los efectos de línea de transmisión en la PCB. Este problema es particularmente frecuente en los circuitos integrados modernos con reloj de alta frecuencia. Los principios básicos para abordar este problema incluyen: - Para circuitos CMOS o TTL que operan por debajo de 10 MHz, la longitud de enrutamiento no debe exceder las 7 pulgadas. - Para frecuencias de hasta 50 MHz, la longitud de enrutamiento no debe exceder las 1,5 pulgadas. - Para frecuencias de 75 MHz o superiores, la longitud de enrutamiento debe limitarse a 1 pulgada. - Para chips de GaAs, la longitud máxima de enrutamiento debe ser de 0,3 pulgadas. Superar estos estándares introduce efectos de línea de transmisión.
2. Planificación racional de la topología de trazas
Otro enfoque para mitigar los efectos en las líneas de transmisión consiste en seleccionar rutas de enrutamiento y topologías de terminación adecuadas. La topología de trazas se refiere a la secuencia y la disposición estructural del cableado de un cable de red. Al emplear dispositivos lógicos de alta velocidad, las señales con flancos que cambian rápidamente se distorsionarán por las trazas de las ramas en el tronco principal de la señal, a menos que las longitudes de las ramas sean extremadamente cortas. Normalmente, el enrutamiento de PCB emplea dos topologías fundamentales: encadenamiento y distribución en estrella.
En el enrutamiento en cadena, las pistas se originan en el controlador y llegan secuencialmente a cada receptor. Si se utilizan resistencias en serie para modificar las características de la señal, deben colocarse inmediatamente adyacentes al controlador. El enrutamiento en cadena ofrece el mejor rendimiento para controlar la interferencia armónica de alto orden en las pistas. Sin embargo, este método de enrutamiento tiene la tasa de éxito más baja y rara vez alcanza el enrutamiento 100%. En la práctica, minimizamos la longitud de los stubs en el enrutamiento en cadena. Un valor seguro de longitud es: Retardo de stub <= Trt * 0,1.
Por ejemplo, la longitud de los cables en circuitos TTL de alta velocidad debe ser inferior a 1,5 pulgadas. Esta topología ocupa un espacio de enrutamiento mínimo y puede terminarse con una sola resistencia. Sin embargo, esta estructura de enrutamiento provoca una recepción de señal asíncrona en diferentes receptores.
La topología en estrella evita eficazmente los problemas de asincronía de la señal de reloj, pero el enrutamiento manual es complicado en PCB de alta densidad. El uso de un enrutador automático es el mejor método para lograr el enrutamiento en estrella. Se requieren resistencias de terminación en cada rama. El valor de la resistencia de terminación debe coincidir con la impedancia característica de la conexión. Esto se puede calcular manualmente o con herramientas CAD para determinar la impedancia característica y el valor de la resistencia de adaptación.
Si bien en los ejemplos anteriores se utilizaron resistencias simples, existen métodos de terminación más complejos que son opciones prácticas. La primera alternativa es la terminación RC. Esta terminación reduce el consumo de energía, pero solo es adecuada para condiciones de señal estables. Este enfoque es más efectivo para la adaptación de la línea de reloj. Una desventaja es que la capacitancia en la terminación RC puede afectar la forma de la señal y la velocidad de propagación.
La terminación con resistencias en serie no supone una pérdida de potencia adicional, pero ralentiza la propagación de la señal. Este método se utiliza en circuitos de controlador de bus donde los retardos de temporización son insignificantes. Otra ventaja de la terminación con resistencias en serie es su capacidad para reducir el número de componentes de la placa y la densidad del cableado.
El último enfoque es la terminación discreta, donde los componentes compatibles se colocan cerca del receptor. Sus ventajas incluyen evitar la reducción de la señal y mitigar eficazmente el ruido. Se utiliza típicamente para señales de entrada TTL (ACT, HCT, FAST).
Además, se debe considerar el tipo de encapsulado y la orientación de la resistencia de terminación. Generalmente, las resistencias de montaje superficial SMD presentan menor inductancia que los componentes de orificio pasante, lo que hace que los encapsulados SMD sean la opción preferida. Si se seleccionan resistencias de orificio pasante estándar, existen dos orientaciones de montaje: vertical y horizontal.
El montaje vertical reduce la resistencia térmica entre la placa y la resistencia, lo que facilita la disipación del calor. Sin embargo, un montaje vertical más alto aumenta la inductancia de las resistencias. El montaje horizontal ofrece una inductancia menor gracias a su perfil más bajo. Sin embargo, las resistencias sobrecalentadas pueden desviarse y, en el peor de los casos, convertirse en circuitos abiertos, lo que provoca un fallo en la conexión de las terminaciones de las pistas de la PCB y se convierte en un posible factor de fallo.
3. Métodos para suprimir la interferencia electromagnética
Abordar eficazmente los problemas de integridad de la señal mejorará la compatibilidad electromagnética (EMC) de las placas PCB. Garantizar una correcta conexión a tierra de la PCB es crucial. En diseños complejos, emplear una capa de señal emparejada con una capa de tierra resulta muy eficaz. Además, minimizar la densidad de la señal en la capa más externa de la placa es un método eficaz para reducir la radiación electromagnética. Esto se puede lograr mediante la tecnología de apilamiento de área superficial o el diseño de "construcción" para la fabricación de PCB. El apilamiento de área superficial se implementa añadiendo capas aislantes delgadas y microvías que penetran estas capas en una PCB de proceso estándar. Las resistencias y los condensadores se pueden enterrar bajo la capa superficial, lo que prácticamente duplica la densidad de trazas por unidad de área y, en consecuencia, reduce el volumen de la PCB. La reducción del área de la PCB afecta significativamente la topología de las trazas, lo que resulta en bucles de corriente más pequeños y longitudes de rama más cortas. Dado que la radiación electromagnética es aproximadamente proporcional al área de los bucles de corriente, esta reducción es beneficiosa. Simultáneamente, el formato compacto permite el uso de encapsulados con alta densidad de pines. Esto, a su vez, reduce las longitudes de interconexión, reduciendo aún más los bucles de corriente y mejorando la compatibilidad electromagnética.
4. Otras técnicas aplicables
Para mitigar los transitorios de tensión en las fuentes de alimentación de circuitos integrados (CI), se deben añadir condensadores de desacoplamiento. Esto suprime eficazmente las fallas de la fuente de alimentación y reduce la radiación de los bucles de potencia en la placa de circuito impreso.
Los condensadores de desacoplamiento proporcionan una óptima atenuación de fallos cuando se conectan directamente a los pines de alimentación del circuito integrado en lugar de al plano de alimentación. Esto explica por qué algunos zócalos incorporan condensadores de desacoplamiento, mientras que otros requieren que estos condensadores se coloquen muy cerca del dispositivo.
Todos los componentes de alta velocidad y alta potencia deben ubicarse lo más cerca posible entre sí para minimizar los transitorios de voltaje de la fuente de alimentación.
Sin un plano de potencia, las largas trazas de energía forman bucles entre la señal y la tierra, convirtiéndose a la vez en fuentes de radiación y circuitos susceptibles.
Una traza que forma un bucle sin cruzar la misma red ni otras trazas se denomina bucle abierto. Si el bucle cruza otras trazas de la misma red, forma un bucle cerrado. Ambos escenarios crean efectos de antena (antenas de hilo y antenas de bucle). Las antenas irradian EMI externamente, a la vez que actúan como circuitos sensibles. Los bucles cerrados son un factor crítico, ya que su radiación es aproximadamente proporcional al área del bucle.
Conclusión
El diseño de circuitos de alta velocidad es un proceso extremadamente complejo. La metodología descrita aquí aborda específicamente estos desafíos. Además, la consideración de múltiples factores durante el diseño de circuitos de alta velocidad suele presentar prioridades contradictorias. Por ejemplo, la ubicación cercana de componentes de alta velocidad puede reducir el retardo, pero puede inducir diafonía y efectos térmicos significativos. Por lo tanto, las decisiones de diseño requieren equilibrar estos factores mediante compensaciones exhaustivas, cumpliendo con los requisitos de diseño y minimizando la complejidad.
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