Técnicas de eliminación de diafonías en Altium Designer

Estudiantes levantando la mano

¿Recuerda cuando estaba en el colegio y la profesora le hacía una pregunta cuya respuesta conocía? Usted y otros estudiantes levantaban la mano con emoción, esperando ser elegidos para contestar. Y, si tenía la fortuna de ser la primera persona en hablar, usted sentía que todo el tiempo que había pasado estudiando, en vez de jugar como hacían sus amigos, había valido la pena. Ahora, aunque el hecho de poder hablar sin interrupciones ciertamente era motivo de júbilo, la motivación de su profesor era eliminar la interferencia de varias personas hablando a la vez.

Una situación similar existe en su PCB cuando múltiples señales en diferentes pistas interfieren entre sí. Cuando las señales crean energía electromagnética que se transfiere a pistas paralelas, esto se conoce como "acoplamiento". El acoplamiento entre conductores puede ser bueno o malo, y se expresa como una razón entre 0 y 1 (o 0% y 100%). Por ejemplo, los conductores en haz o pares trenzados se pueden usar para lograr unas tasas de acoplamiento casi perfectas, que fomentan la buena transmisión de las señales. El término "mal acoplamiento" o "diafonía" típicamente se refiere a la interferencia en un conductor por parte de otro conductor adyacente que distorsiona o reduce la calidad de la señal.

Revisemos las causas de la diafonía y a cómo Altium Designer^® puede ayudarle a minimizar los efectos de diafonía en su tarjeta.

¿Qué es lo que causa la diafonía?

La diafonía es uno de los problemas con la integridad de las señales con los que los diseñadores de PCB deben lidiar frecuentemente. La diafonía típicamente ocurre cuando dos trayectos diferentes de propagación de la señal están demasiado cerca el uno del otro y los campos electromagnéticos que se generan naturalmente son capaces de salvar la distancia que separa los conductores. Como esta interferencia es indeseable, se puede clasificar como ruido y tiende a distorsionar o degradar la pureza de la señal, lo que produce diafonía.

Problemas con los componentes

A medida que los productos electrónicos se van volviendo cada vez más pequeños, las PCB de las que se componen también deben reducir su tamaño. Sin embargo, estas reducciones dimensionales típicamente vienen acompañadas de exigencias de mayor funcionalidad. Para lograr estos objetivos, que parecerían ser opuestos, los encapsulados de los componentes son más pequeños pero tienen un mayor número de conexiones o de pines. Obviamente, esto reduce las distancias entre los pines, cosa que fomenta la generación de acoplamiento capacitivo. El acoplamiento entre dos pines puede ocurrir para conexiones que se extienden desde los componentes y sobre la superficie de la tarjeta, o por su parte inferior para el flujo de señales por vías.

Problemas con las pistas

A medida que las pistas van ocupando más centímetros cuadrados en su tarjeta, también van apareciendo más áreas susceptibles a la diafonía. Esto incluye los paneles al comienzo o al final de las pistas y también las rutas adyacentes en la misma capa y entre capas diferentes. La diafonía en los paneles es similar a lo que ocurre entre los pines de los componentes. Junto con las pistas, la interferencia suele deberse a que los trayectos de señales tengan longitudes similares con separaciones inadecuadas en el mismo ángulo, o un trayecto único con un ángulo muy pronunciado.  Cuando las capas de señales en su stackup no están lo suficientemente aisladas por los dieléctricos, también es posible que ocurra diafonía entre las pistas en diferentes capas.

Técnicas de eliminación de diafonía en Altium Designer

Podría parecer que la diafonía es un obstáculo insuperable para lograr una buena integridad de la señal en el diseño de PCB, particularmente en el caso de tarjetas pequeñas, complejas y compactas. Ciertamente representa un desafío para el diseño, pero existen técnicas que se pueden emplear para reducir los efectos de la diafonía en la operación de tus circuitos. Para emplearlas lo mejor posible, primero debemos ser capaces de analizar la señal de la tarjeta para determinar si existe alguna diafonía que eliminar. Altium Designer le ofrece una herramienta precisamente para la ejecución de análisis de integridad de las señales, que se puede apreciar en la imagen de abajo.

Diálogo de integridad de la señal

El análisis de integridad de la señal en Altium ofrece la capacidad de verificar los tiempos de crecimiento, caída y terminación de la señal, así como cualquier diafonía. También puede definir modelos, establecer reglas y restricciones y otras configuraciones para los análisis. Una vez que se confirme la existencia de un problema de diafonía, este debe abordarse mediante la modificación de las trayectorias de tus pistas según haga falta para la misma capa o capas adyacentes, tal como se describe a continuación.

Garantizar un adecuado espacio entre las pistas

En la mayoría de los casos, la causa de las diafonías es una inadecuada separación entre los conductores acoplados. Por tanto, la mejor solución o técnica de reducción es incrementar la separación. En Altium Designer, esto se puede lograr muy fácilmente usando la función de resaltado, que le permite mover pistas únicas o grupos de pistas a la vez. Al hacer cambios a las pistas, tenga presente estos consejos para una buena disposición de pistas en una PCB.

Configuración de las propiedades de una pista al determinar los trazados en una tarjeta de circuitos

Minimizar la longitud de pistas paralelas

En ocasiones, como en el caso de los pares diferenciales, es preferible acoplar los trayectos de señales. En estos casos, el objetivo del diseño es garantizar que el peso del cobre, el ancho y las longitudes de las pistas sean iguales. En contraste, cuando las pistas paralelas son para señales diferentes, el objetivo es minimizar su interacción o acoplamiento. Si no es posible procurarse una separación adecuada, se puede hacer que una pista sea más larga que la otra, o que sus trayectos sean perpendiculares para reducir la diafonía.

Uso de los planos de tierra para separar las capas de señales

Si bien es menos común que la diafonía en la misma capa también ocurre interferencia entre capas adyacentes en el stackup de la PCB.  La causa principal de este tipo de acoplamiento es la falta de aislamiento de las señales debido a un deficiente aislamiento entre las capas. La fuente del aislamiento entre capas adyacentes es el material dieléctrico sobre el cual se graban las capas de cobre. En Altium Designer, diseñar su stackup es muy fácil usando el diálogo de Layer Stack Manager (Administrador de Apilado de Capas), que se muestra bajo estas líneas, en el que se puede seleccionar el tipo de material, definir el espesor y también la constante dieléctrica.

Definición del stackup de capas para los PCB

Como alternativa al uso de diferentes materiales para el stackup, es posible insertar planos de tierra entre las capas de señales. Esto contribuye a aumentar el aislamiento.

La diafonía es un problema de integridad de la señal que puede afectar la disposición de su PCB prácticamente en cualquier punto en que haya dos conductores próximos entre sí. Las mejores técnicas de eliminación de diafonías serán aquellas que inserten espacio o barreras para reducir el acoplamiento. Pero antes de poder aplicar ninguna de estas, es necesario determinar si se están presentando diafonías. Altium Designer brinda una herramienta multifuncional de análisis de señales que le permite diagnosticar las señales de su tarjeta y determinar la mejor técnica o técnicas de eliminación para aplicar. Si le interesa probar Altium Designer, puede obtener una prueba gratis aquí.

Para más información acerca de técnicas de eliminación de diafonías que puede incorporar en el diseño de su PCB, hable con uno de los expertos de Altium en diseño de PCB.