Todo sobre la longitud de las pistas de tu PCB: ¿Cuándo es demasiado larga?

De vez en cuando, recibo una pregunta de un lector que despierta mi interés y termina provocando un animado debate, una investigación a fondo o una sesión de preguntas y respuestas. Una pregunta reciente que recibí se refiere a la longitud de las pistas de PCB, los estándares de señalización y las especificaciones de los componentes. Aquí está la pregunta parafraseada:

¿Cuál es el límite de longitud típico para una pista de alta velocidad?

Esta siempre es una pregunta divertida porque se puede abordar desde múltiples ángulos. En este caso, el componente estaba operando sobre PCIe a altas velocidades en un laminado estándar (Dk ~4 y Df ~0.02 en el extremo superior del ancho de banda). No debería ser demasiado difícil ver que la pregunta insinúa aumentar la longitud de la pista desde el conector de borde hasta el receptor, y si el componente puede tolerar la distancia aumentada y aún recuperar una señal en el canal.

¿Cómo investigarías la máxima longitud de pista de PCB que puedes tolerar en este canal? La realidad es que no hay un valor único máximo de longitud de pista de PCB para ningún estándar de señalización por múltiples razones. En cambio, tenemos que mirar las pérdidas en el canal a medida que la señal se propaga. En este componente particular, la respuesta fue bastante sorprendente. Sigue leyendo para aprender más.

La Respuesta: Considerar la Pérdida Total

La máxima longitud de traza de PCB que puedes colocar entre dos componentes depende de múltiples factores. Estos incluyen:

• Protocolo de señalización: Los estándares de señalización especifican un nivel mínimo de rendimiento al que se debe diseñar una interconexión. Estos requisitos no garantizan que el diseño funcionará, pero sí te dan una base para usar como objetivos de diseño.
• Especificaciones de componentes: Algunos componentes pueden superar los requisitos de tu estándar de señalización, pero esto aún no garantiza que el canal funcionará.
• Laminado de PCB y pérdidas: Todas las pérdidas en el laminado de PCB reducirán la amplitud de la señal y producirán distorsión, por lo que estas fuentes de pérdida deben incluirse al determinar la longitud de la traza.
• Desviación y distorsión de fase: La desviación puede acumularse en algunos casos, dependiendo del camino de enrutamiento, debido al efecto de tejido de fibra. Esto es mayormente problemático en la porción de la señal que ocupa ~20 GHz y frecuencias más altas, lo que produce distorsión de fase en la señal.

Las Pérdidas se Acumulan a lo Largo de una Traza

Con todo esto en mente, veamos dónde se acumulan las pérdidas a lo largo del canal. La imagen a continuación muestra las pérdidas totales en nuestro canal de ejemplo bajo consideración. Algunas de estas pérdidas se han agrupado a lo largo de la longitud de las pistas. Independientemente de dónde provengan las pérdidas, simplemente las sumamos todas en dB, y podemos convertir esto de vuelta a un valor de atenuación decimal si así lo deseamos.

El punto aquí es el siguiente: Realmente no me importa de dónde provengan las pérdidas, todas se sumarán para limitar la potencia que llega al receptor. Debido a que la señal solo puede soportar cierta cantidad de pérdida antes de que se vuelva irrecuperable, la pérdida total limitará la longitud de la pista del PCB a un valor máximo.

Pérdida de Inserción Acumulada

La pérdida de inserción (especificada en dB) a lo largo de una pista individual depende de la longitud y está relacionada con la longitud y la parte real de la constante de propagación:

Mientras conozcas la constante de propagación y la longitud de la interconexión, sabrás la pérdida total; es simplemente la pérdida por inserción más la pérdida de retorno en cada interfaz a lo largo de la interconexión. Si quieres, puedes invertir esta relación para la pérdida por inserción y determinar una pérdida aceptable y la longitud máxima de traza siempre y cuando (puedas determinar la constante de propagación).

¿Qué pasa si se especifica una longitud?

Volvamos a la pregunta original por un momento. En este intercambio, el componente receptor especificó una longitud máxima de traza de PCB en términos de tiempo, en lugar de en términos de un presupuesto de pérdida o longitud literal de traza. En otras palabras, están asumiendo que conoces la velocidad de grupo/fase (o retraso de propagación) para señales que viajan en la interconexión. Si sabes sobre dispersión, entonces sabrás que tendrás que hacer emparejamiento de longitud de traza de PCB vs. frecuencia porque la velocidad de la señal varía con la frecuencia.

Ya sea que vea una longitud específica especificada o un tiempo especificado, cualquiera de los valores solo será aplicable para un laminado de PCB y una geometría de traza específicos. Si utiliza un material de laminado de PCB diferente o una geometría de traza diferente, el valor de la longitud ya no es válido porque las pérdidas experimentadas a lo largo de esa longitud de traza serán diferentes. En este caso, necesita convertir la longitud máxima especificada de la traza de PCB en una nueva longitud de traza utilizando la constante de propagación correspondiente a la pérdida máxima en el interconector. Puede usar la relación:

donde γ es la constante de propagación para la señal, y L es un valor de longitud. Aquí, he tomado el valor real de γ ya que esto nos indica la pérdida a lo largo del interconector. Si mira la primera ecuación arriba, debería ser fácil ver que el lado izquierdo es solo un presupuesto de pérdida. Tomando estos valores junto con los valores apropiados de su constante de propagación le da la nueva longitud máxima de traza de PCB.

Las simulaciones y los solucionadores de campo pueden ayudar

Hay algunos pasos que se pueden tomar a nivel de diseño para aumentar la longitud de traza permitida para prevenir pérdidas excesivas:

• Utilice materiales de menor pérdida, como un laminado basado en PTFE
• Seleccione un conector con menores pérdidas
• Elimine los vías excesivos y perfore los stubs de vía
• Intente modificar la geometría del trazo para que tenga menor pérdida

Si se le da una restricción de tiempo o longitud para su interconexión, solo necesita la constante de propagación de sus interconexiones antigua y nueva para determinar la nueva longitud. Si está utilizando Altium Designer, puede usar el Administrador de Capas de Pila para calcular el retraso de propagación para sus redes controladas por impedancia, y puede usar esto para establecer un límite de longitud de trazo en las clases de red relevantes.

Para cálculos más avanzados que involucran la extracción de parámetros S, Altium Designer® los usuarios pueden usar la extensión de Exportador EDB para importar su diseño en los solucionadores de campo de Ansys. Esta es una manera simple de calificar un diseño con una potente aplicación de solucionador de campo antes de comenzar una corrida de prototipos.

Cuando hayas terminado tu diseño y quieras enviar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir tus proyectos. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para obtener una descripción más detallada de las características o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.