Para abordar los impactos derivados de lo mencionado anteriormente problemas en la línea de transmisión, analizamos métodos para controlar estos efectos desde las siguientes perspectivas.
1. Controle estrictamente la longitud de enrutamiento de las líneas de red críticas.
Si el diseño incluye transiciones de flanco de alta velocidad, deben considerarse los efectos de las líneas de transmisión en la PCB. Este problema es especialmente frecuente en los circuitos integrados modernos 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 superar las 7 pulgadas. - Para frecuencias de hasta 50 MHz, la longitud de enrutamiento no debe superar las 1,5 pulgadas. - Para frecuencias iguales o superiores a 75 MHz, 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 método para mitigar los efectos de la línea de transmisión consiste en seleccionar rutas y topologías de terminación adecuadas. La topología de traza se refiere a la secuencia y la disposición estructural del cableado de un cable de red. Al utilizar dispositivos lógicos de alta velocidad, las señales con flancos de cambio rápido se distorsionarán en las trazas de ramificación del cable principal, a menos que la longitud de estas sea extremadamente corta. Normalmente, el enrutamiento de PCB emplea dos topologías fundamentales: enrutamiento en cadena y 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 en el control de la interferencia armónica de alto orden en las pistas. Sin embargo, este método de enrutamiento tiene la menor tasa de éxito y rara vez alcanza un enrutamiento 100%. En el diseño práctico, se minimiza la longitud de los stubs en el enrutamiento en cadena. Un valor de longitud seguro es: Retardo del stub <= Trt * 0,1.
Por ejemplo, en los circuitos TTL de alta velocidad, la longitud de los stubs debe ser inferior a 1,5 pulgadas. Esta topología ocupa un espacio mínimo en el enrutamiento y puede terminarse con una sola resistencia. Sin embargo, esta estructura de enrutamiento provoca una recepción de señal asíncrona en distintos receptores.
La topología en estrella evita eficazmente los problemas de asincronía de la señal de reloj, pero el enrutamiento manual es complejo en placas de circuito impreso 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 mediante herramientas CAD para determinar la impedancia característica y el valor de la resistencia de terminación.
Si bien en los ejemplos anteriores se utilizaron resistencias simples, existen métodos de terminación más complejos como opciones prácticas. La primera alternativa es la terminación RC. Esta reduce el consumo de energía, pero solo es adecuada para condiciones de señal estables. Este método es muy eficaz 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 su velocidad de propagación.
La terminación con resistencias en serie no genera pérdidas de potencia adicionales, pero ralentiza la propagación de la señal. Este método se utiliza en circuitos controladores de bus donde los retardos de temporización son despreciables. Otra ventaja de la terminación con resistencias en serie es su capacidad para reducir el número de componentes en la placa y la densidad del cableado.
El último método es la terminación discreta, donde los componentes de adaptación se colocan cerca del receptor. Sus ventajas incluyen evitar la atenuación de la señal y mitigar eficazmente el ruido. Se utiliza normalmente 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 SMD de montaje superficial presentan una inductancia menor que los componentes de orificio pasante, por lo que los encapsulados SMD son la opción preferida. Si se seleccionan resistencias estándar de orificio pasante, se dispone de dos orientaciones de montaje: vertical y horizontal.
El montaje vertical acorta uno de los terminales, reduciendo la resistencia térmica entre la resistencia y la placa y facilitando la disipación del calor. Sin embargo, una mayor altura en el montaje vertical aumenta la inductancia de las resistencias. El montaje horizontal ofrece una menor inductancia debido a su menor perfil. No obstante, las resistencias sobrecalentadas pueden sufrir deriva y, en el peor de los casos, convertirse en circuitos abiertos, provocando fallos en la terminación de las pistas de la PCB y convirtiéndose 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 (CEM) de las placas de circuito impreso (PCB). Garantizar una correcta conexión a tierra de la PCB es fundamental. Para diseños complejos, emplear una capa de señal junto con una capa de tierra resulta altamente eficaz. Además, minimizar la densidad de señal en la capa más externa de la placa es un método efectivo para reducir la radiación electromagnética. Esto se puede lograr mediante la tecnología de apilamiento de superficie o el diseño de "construcción" para la fabricación de PCB. El apilamiento de superficie 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, duplicando prácticamente la densidad de pistas por unidad de área y, por consiguiente, reduciendo el volumen de la PCB. La reducción del área de la PCB influye significativamente en la topología de las pistas, lo que da como resultado bucles de corriente más pequeños y ramas 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, disminuye las longitudes de interconexión, reduciendo aún más los bucles de corriente y mejorando la compatibilidad electromagnética.
4. Otras técnicas aplicables
Para mitigar las sobretensiones transitorias en las fuentes de alimentación de los circuitos integrados (CI), se deben añadir condensadores de desacoplamiento al CI. Esto suprime eficazmente las fluctuaciones 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 supresión de glitches cuando se conectan directamente a las patillas de alimentación del circuito integrado, en lugar de al plano de alimentación. Esto explica por qué algunos zócalos de dispositivos 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 colocarse lo más cerca posible entre sí para minimizar las fluctuaciones de tensión en la fuente de alimentación.
Sin un plano de alimentación, las largas trazas de alimentación forman bucles entre la señal y la tierra, convirtiéndose 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 en la misma red, forma un bucle cerrado. Ambos casos generan efectos de antena (antenas de hilo y antenas de bucle). Las antenas irradian interferencia electromagnética (EMI) externamente y, a su vez, actúan como circuitos sensibles. Los bucles cerrados son de vital importancia, 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 que se describe aquí aborda específicamente estos desafíos. Además, los múltiples factores que deben considerarse durante el diseño de circuitos de alta velocidad a menudo presentan prioridades contrapuestas. Por ejemplo, colocar componentes de alta velocidad muy cerca unos de otros puede reducir la latencia, pero puede inducir diafonía y efectos térmicos significativos. Por lo tanto, las decisiones de diseño requieren equilibrar estos factores mediante un análisis exhaustivo de las ventajas y desventajas, cumpliendo con los requisitos de diseño y minimizando la complejidad.
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