Adoptando la integridad de la señal eléctrica en el proceso de diseño de circuitos electrónicos de alta velocidad

Dado que las velocidades de conmutación en TTL y las familias lógicas más recientes son lo suficientemente rápidas como para procesar datos a velocidades de Mbps y Gbps, las técnicas de diseño de alta velocidad son ahora fundamentales para casi todos los diseñadores de PCB. Como los tiempos de subida de las señales digitales son cada vez más rápidos, los diseñadores deben acortar sus interconexiones o idear algunas estrategias de diseño importantes para evitar problemas de integridad de la señal en el diseño de PCB de alta velocidad. Los ingenieros de hoy en día necesitan un conjunto completo de herramientas para simulaciones y análisis de la integridad de la señal en su proceso de diseño de PCB de alta velocidad. Ahora puedes acceder a las funciones más potentes de integridad de la señal junto con potentes herramientas de trazado y diseño para placas de circuitos de alta velocidad. Prueba Altium Designer, la mejor aplicación de la industria para el diseño de PCB de alta velocidad.

¿Qué es la integridad de la señal eléctrica en PCB? 

Cuando la corriente atraviesa una pista de cobre, se pueden dar diferentes comportamientos dependientes de la energía transmitida por el controlador del componente origen (emisor). La simulación de integridad de la señal en diseños de circuitos electrónicos de PCB de alta velocidad es una forma ideal de verificar la calidad de una señal que atraviesa componentes de pistas de cobre, asegurando que el sistema completo es seguro y funcional. El análisis de integridad de la señal es un proceso de simulación posterior al diseño que refleja de forma precisa qué está ocurriendo en realidad, y qué comportamientos se presentarán en el uso diario de un producto, para poder diseñar productos fiables con un diseño más lógico.

¿Por qué debería preocuparme por la integridad de la señal eléctrica?

El uso de componentes de alta velocidad ha ido incrementándose en los mercados, a la par que decrece el de componentes de baja velocidad. Esta tendencia continúa incluso hoy, y el incremento de componentes de alta velocidad conlleva el reto de mantener la calidad de la señal eléctrica en nuestros sistemas complejos.

Se puede alterar una señal eléctrica de una variedad de formas, como pérdidas, interferencias o diafonías, reflexiones, efecto pelicular y muchas otras perturbaciones. Estos problemas de perturbación de la señal son más complicados en tecnologías como la DDR 2/3/4, cuando cada señal necesita llegar a la vez para leerse de la memoria, preservando la misma velocidad del reloj.

Los controladores de pines rápidos se utilizan normalmente para lograr una buena sincronización de las señales eléctricas en el diseño de circuitos electrónicos de alta velocidad, mientras también se suministra energía suficiente a la pista de cobre. En tanto que estos controladores de pines puedan ayudar a minimizar los problemas de pérdida de la integridad de la señal, las líneas de transmisión largas quedan sujetas a perturbaciones.

Algunas aplicaciones teóricas relacionadas con la integridad de la señal que hay que tener en cuenta son:

La longitud eléctrica transitoria (TEL) se define como el movimiento de una onda electromagnética durante un cambio de señal (tiempo de subida o RT/tiempo de bajada o FT):

• TEL = RT/FT x velocidad de la señal.

Una pista en una PCB construida con FR-4 tiene una velocidad aproximada de:

• 15 cm/ns (6 pulgadas/ns).

Con un tiempo de subida/bajada de, por ejemplo, 300 ps, esto quiere decir que:

• TEL = 0,3 ns x 15 cm/ns = 4,5 cm (1,77 pulgadas).

Si la pista es más larga del 20 % de la TEL, dispondremos de una línea de transmisión y reflexiones:

• La reflexión comienza con = 0,3 ns x 15 cm/ms x 0,2 = 9 mm (350 milipulgadas).

¿Qué cifra obtenemos? Las pistas de cobre con una longitud mayor a 9 mm (350 milipulgadas) actúan como líneas de transmisión y requieren especial atención durante el proceso de diseño de PCB.

Analizando riesgos de la integridad de la señal eléctrica

Ya que hay diferentes tipos de perturbaciones que pueden afectar a la pista de cobre, hay también diferentes riesgos y consecuencias de los que ser consciente si no comprueba la calidad de la señal en sus sistemas. Por ejemplo, veamos un problema de reflexión. La señal eléctrica se envía al emisor del receptor, aunque se observa un exceso de energía en el pin del receptor, tal y como se muestra en la Figura 1 de más abajo.

Figura 1: Integridad de la señal eléctrica. Problema de reflexión de la señal de emisor a receptor

Cuando se observa este efecto, podemos ver varias distorsiones de la integridad de la señal eléctrica, como un sobreimpulso que podría quemar el chip o un subimpulso que podría encender el dispositivo dos veces. En esta segunda situación, deberías considerar también el zumbido de vuelta, que también podría encender el dispositivo de nuevo. En ambos casos los riesgos son altos, y este problema de calidad de la señal generará costes adicionales para los prototipos y nuevas vueltas. Puede incluso conducir a algunos sistemas no funcionales cuando el producto está en el mercado. Más allá de los meros riesgos técnicos, hay que considerar además el impacto en el presupuesto de la empresa, ya que los costes comienzan a estar fuera de control con cada ronda de prototipos que se fabrica.

Lo que es peor, los problemas que no se detectan en la fase de prototipado irán al mercado y se traducirán en fallos y problemas a la espera de ser descubiertos. Este panorama le hará gastar una cantidad ingente de recursos para la reparación o la sustitución de los productos que devuelven los clientes. Y la última cosa a la que su empresa desea enfrentarse es a retirar un producto, puesto que se daña la reputación de la marca y el presupuesto se ve afectado en el proceso.

Cómo evitar los problemas de integridad de la señal eléctrica en la PCB

¿Cómo podemos evitar los problemas de integridad de la señal eléctrica en el diseño de PCB de alta velocidad y salvarnos de todos estos problemas potenciales? El primer paso es investigar concienzudamente el problema al que se enfrenta desde el principio y realizar decisiones de diseño acertadas durante el proceso de diseño de PCB. 

¿Qué requisitos debería tener un plan? La solución más habitual es adaptar la impedancia de la línea de transmisión. Esto requiere un enrutamiento controlado de la impedancia. Si se necesita una adaptación superior, se puede añadir una terminación a la señal. Así también se ajustará la impedancia, permitiendo que se eviten las pistas que son demasiado anchas en la PCB. De este modo, el componente de terminación absorbe un exceso de energía en la línea de transmisión, además de proteger el receptor.

Otro factor clave para evitar las perturbaciones de integridad de la señal eléctrica en el diseño de PCB de alta velocidad es planificar la ruta de retorno de la corriente. Evita dividir planos de potencia en el área bajo (o sobre) señales críticas. Aprovecha las vías ciegas y enterradas para estas señales críticas, puesto que los talones de vías de orificios pasantes podrían actuar como una antena y generarán perturbaciones indeseadas a la señal eléctrica.

¿Cómo puede Altium Designer ayudar en el análisis de la integridad de la señal de la PCB? 

Altium Designer incluye una herramienta de análisis de integridad de la señal completa que puede ayudarle a detectar perturbaciones y distorsiones de las señales en la PCB. El primer lugar, contiene un análisis previo al diseño de PCB con el que se pueden estimar los problemas que podrás encontrar en tu proyecto. Es muy útil para detectar problemas con las señales en una fase temprana del proceso de diseño de la PCB y para tomar mejores decisiones cuando llegue el momento de realizar un diseño. Por supuesto, en esta fase del diseño de la placa de circuito impreso, el análisis de la integridad de la señal no tiene información sobre la pila de capas real y puede solo realizar estimaciones de los resultados. Cuando la placa esté completada, con el enrutado y todas las áreas de cobre, entonces el análisis posterior al diseño puede utilizarse para detectar las perturbaciones reales de las señales eléctricas.

Como es habitual, se requieren modelos de simulación para ejecutar la simulación. En el caso de una simulación de integridad de la señal de la PCB, se requieren modelos IBIS para todos los circuitos integrados conectados a las señales que queremos simular. Altium Designer puede gestionar los modelos IBIS para componentes básicos, tales como resistencias, capacitores, inductores, conectores, transistores, diodos y más. Las únicas cosas en las que es necesario que te preocupes es en los modelos de simulación para los circuitos integrados. Estos pueden normalmente descargarse del sitio web del fabricante.

Con el enrutamiento en la placa de PCB y los modelos IBIS para sus componentes, se puede empezar con la simulación del análisis de la integridad de la señal. Ejecuta el análisis e investiga la calidad de la señal eléctrica de tu PCB. Si observas perturbaciones inesperadas, entonces ejecuta la simulación una vez más. Esta vez, utiliza una variación de las terminaciones posibles que se pueden añadir a la señal. Altium Designer generará señales con estas terminaciones en el mismo cuadro, de modo que podrás entender qué tipo de terminación es necesaria para ajustar la señal crítica.

Ahora que sabes qué terminación necesitas, puedes ejecutar un análisis adicional para determinar qué valor necesitas para tu componente y poder hacer las mejores adaptaciones a las señales. Se trata de una simulación paramétrica que puede variar el valor del componente de terminación, permitiéndole ver qué valor te ayudará más.

Figura 2: Integridad de la señal eléctrica. Simulación paramétrica de una terminación de resistencia a masa

Conclusión

Con la ayuda de la simulación de integridad de la señal de la PCB en Altium Designer, puede ser fácil navegar con éxito las complicaciones de su placa de alta velocidad, antes y después de su proceso de enrutado. Pero no se trata solo de una herramienta de simulación, y querrás pasar una buena cantidad de tiempo planificando la ruta de retorno de la corriente, la sincronización de la señal y el apilamiento de capas antes incluso de empezar a enrutar pistas. Con una combinación de una simulación posterior y previa al diseño y de planificación detallada, podrá producir una señal clara en cada momento.

Esto es solo una muestra de todo lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Empieza hoy mismo tu prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365.