Métodos para controlar la diafonía o acoplamiento en el diseño de PCB

Los términos diafonía y acoplamiento (o crosstalk o coupling en inglés) se utilizan para describir la inyección de energía electromagnética de una línea de transmisión a otra cercana. En las placas de circuito impreso (PCB), la diafonía normalmente se produce entre dos pistas que discurren paralelamente en la misma capa, o bien una sobre otra en capas adyacentes. Esta energía acoplada se presenta en forma de ruido en la pista "perturbada" y puede provocar fallos si la amplitud es demasiado grande. Descubre cómo este ruido se transfiere de una pista a otra y los métodos para evitar que la diafonía ocurra en la PCB.

Diafonía o acoplamiento en el diseño de PCB

Los términos diafonía (crosstalk) y acoplamiento describen la inyección de energía electromagnética de una línea de transmisión a otra que discurre cercana. En las placas de circuito impreso, esta diafonía extraña normalmente se produce entre dos pistas que discurren paralelamente en la misma capa, o bien una sobre otra en capas adyacentes. Esta energía acoplada se presenta en forma de ruido en la pista "perturbada" y puede provocar fallos si la amplitud es demasiado grande. Aunque puede producirse acoplamiento inductivo, o diafonía de campo magnético, en las placas PCB, generalmente la diafonía proviene del acoplamiento capacitivo por campo eléctrico. En esta sección, se describe cómo este ruido se transfiere de una pista a otra y los métodos para evitar que ocurra.

En la figura 1, aparece un diagrama en el que se muestra el acoplamiento capacitivo en dos líneas de transmisión que discurren paralelamente. La línea de transmisión superior se muestra conmutando y la inferior está inactiva. Observa las dos formas de onda junto a la línea perturbada. Una está al final de las líneas, donde el controlador está sobre la línea conducida, y la otra está en el extremo opuesto o lejano. Observa que las formas de onda son distintas. La frecuencia y forma de onda en el extremo del controlador de la línea perturbada generalmente se conoce como diafonía inversa o "diafonía de extremo cercano" ("NEXT" o paradiafonía), y la forma de onda en el extremo lejano de la línea perturbada se conoce como diafonía directa o "diafonía de extremo lejano" ("FEXT" o telediafonía).

El aspecto exacto de estas dos formas de onda depende de lo que haya en los cuatro extremos de las líneas de transmisión. Las posibilidades son las siguientes: un cortocircuito, una terminación o un circuito abierto. En la referencia 1 al final de esta unidad, se describe en detalle cómo estas terminaciones causan diafonía extraña y afectan a las señales que se observan en la línea perturbada. De ese documento se extrae que el peor de los casos es cuando los extremos lejanos de ambas líneas son circuitos abiertos y el extremo cercano de la línea perturbada es un cortocircuito. Así es como funcionan la mayoría de los circuitos CMOS. En estas condiciones, las formas de onda que se observan en la línea perturbada son muy parecidas a las que se muestran en la figura 1.

En esta discusión, el análisis se efectuará utilizando este conjunto de condiciones del “peor caso”.

Figura 1. Diafonía en dos líneas de transmisión paralelas que interactúan

En la figura 2, se muestra cómo las dos formas de diafonía por acoplamiento capacitivo (directa e inversa) varían a medida que aumenta la longitud de las dos líneas de transmisión que discurren en paralelo. Observa que la diafonía directa aumenta más lentamente que la diafonía inversa a medida que la longitud acoplada se alarga. Además, llega un punto en el que la diafonía inversa no aumenta al aumentar la longitud acoplada. Esto se conoce como “longitud crítica” o la longitud en la que la diafonía inversa no continúa aumentando o se satura.

La diafonía directa aumenta mucho más lentamente que la diafonía inversa y no se convierte en un factor a tener en cuenta en las PCB, ya que la longitud del recorrido en paralelo es demasiado corta. Esta forma de diafonía era un problema serio para las compañías telefónicas cuando las líneas tenían muchos metros de longitud. En esta sección, nos centraremos en las formas de controlar la diafonía inversa.

Figura 2. Diafonía directa e inversa en función de la longitud acoplada

Métodos para controlar la diafonía inversa en la PCB con enrutamiento en paralelo en horizontal

Cuando las líneas de transmisión discurren en paralelo en horizontal, el mecanismo de acoplamiento capacitivo está dominado por el componente magnético del campo electromagnético. En el enrutamiento en vertical, es el campo eléctrico el que domina.

Se han propuesto diversos métodos para controlar la diafonía inversa en la PCB. Entre ellos, se encuentran los siguientes:

• Restringir la longitud de las líneas de transmisión que discurren en paralelo
• Insertar "pistas de protección" entre las dos líneas de transmisión
• Filas de vías de "tierra" a ambos lados de una señal sensible

Restricción de la longitud del recorrido en paralelo

El método más común propuesto para controlar la diafonía (o crosstalk) por acoplamiento capacitivo consiste en limitar la longitud en la que dos líneas de transmisión van en paralelo. Existen incluso rutinas en diferentes enrutadores de PCB que permiten al diseñador de PCB introducir una determinada longitud, de manera que la herramienta de enrutamiento impida un enrutamiento más largo que esta cifra para reducir la capacitancia de acoplamiento. Para que este método funcione, esta longitud debe ser menor que la longitud crítica que se muestra en la figura 2. Si la longitud de un recorrido en paralelo alcanza la longitud crítica, se puede observar que, al continuar en paralelo pasado ese punto, no se produce un aumento de la diafonía. En la figura 3, se muestra un gráfico de la longitud crítica en función del tiempo de subida de la señal. Hay tres curvas en el gráfico que corresponden a tres constantes dieléctricas diferentes (er): dos corresponde al teflón, tres corresponde a la mayoría de los cables planos y cuatro corresponde a la mayoría de los dieléctricos que se encuentran en las PCB.

Como puede observarse, a medida que los tiempos de subida se aceleran, la longitud crítica se acorta. Con un tiempo de subida de 1,4 ns, la longitud crítica es de aproximadamente 6 pulgadas, o 15 cm. Si el enrutador estuviera configurado para permitir tres pulgadas de recorrido en paralelo, sería posible realizar la mayoría de las conexiones en casi todos los diseños sin quedarse sin espacio en la placa o las capas. Por desgracia, muy pocos circuitos integrados modernos son tan lentos. En la actualidad, los tiempos de subida de hasta 100 picosegundos son muy habituales. Al observar la Figura 3, se puede ver que la longitud crítica a 100 picosegundos es menos de media pulgada, o aproximadamente 1,5 cm. Con estos tiempos de subida, el control de la longitud no funcionará. Esto es bien conocido en el sector de los superordenadores desde hace mucho tiempo, y no ha sido el método empleado para controlar la diafonía inversa.

Figura 3. Longitud crítica en función del tiempo de subida de la señal

Si el control de la longitud para limitar la diafonía en la PCB no funciona, ¿qué otro método funciona?

Si volvemos a la figura 2, podemos ver que, una vez que se ha alcanzado la longitud crítica, al continuar el recorrido en paralelo no se produce una diafonía adicional. En este punto, hay solo dos parámetros que afectan al nivel de diafonía. Estos son la altura al plano más cercano y la separación de borde a borde. En la figura 4, se muestra un gráfico de cómo la diafonía varía en función de la altura con respecto al plano superior más cercano y la separación de borde a borde una vez que se ha alcanzado la longitud crítica.

Figura 4. Diafonía inversa en PCB en función de la altura sobre el plano y el stripline de separación

La figura 4 se titula Stripline “descentrado”. Esto significa que las líneas de transmisión están entre dos planos, pero no están centradas entre los dos planos. Esto es normal en PCB que tienen dos capas de señal entre un par de planos. Observe que la diafonía disminuye sustancialmente a medida que se reduce la altura sobre el plano más cercano. También disminuye, aún más rápidamente, a medida que las pistas se separan entre sí. La figura 5 es un gráfico que muestra estos valores para capas de señal micro-stripline que se encuentran en el exterior de una PCB.

Figura 5. Diafonía inversa en función de la altura sobre el plano y la separación, micro-stripline

Pistas de protección

Muchas reglas empíricas han recomendado insertar "pistas de protección" entre las líneas de transmisión como método para controlar la diafonía capacitiva de la PCB. Si funciona, ¿por qué lo hace? Y ¿hay algún inconveniente en el uso de este método? La “práctica estándar” en muchas empresas es enrutar con líneas de 5 milésimas de pulgada y espacios de 5 milésimas de pulgada. Volviendo a la figura 4, si una PCB se enrutara siguiendo estas reglas y la altura sobre el plano más cercano fuera de 5 milésimas de pulgada (también común), la diafonía sería de aproximadamente el 8%. Si se determinase que esto es excesivo y se añadiera una pista de protección, ¿qué implicaría eso? Para dejar espacio para la pista de protección, es necesario añadir un espacio de 5 milésimas de pulgada y una pista de 5 milésimas de pulgada. Ahora, la separación de borde a borde es de 15 milésimas de pulgada, en lugar de 5 milésimas de pulgada, y la diafonía es inferior al 1%. No fue la pista de protección lo que provocó esta disminución. Fue la separación.

Las desventajas de añadir pistas de protección son las siguientes: Dificulta mucho el enrutamiento. La pista de protección no es una barrera. Es un circuito resonante que puede mejorar la diafonía al crear un filtro pasabanda.

El método adecuado para controlar la diafonía en el enrutamiento en paralelo en horizontal es solo la separación.

Filas de vías de "Tierra"

Un método propuesto por algunas aplicaciones y gurús es colocar vías de "tierra" a ambos lados de una pista "crítica" para proteger una línea de transmisión sensible. A este tipo de regla no le respalda ninguna prueba válida. Va acompañada normalmente de respuestas vagas cuando se pregunta cuántas vías se deben usar y con qué espaciado. Si fuera un método útil o necesario, no sería posible construir ninguno de los servidores y enrutadores que diseñamos a diario, ya que no habría suficiente espacio para todas esas vías. Se trata de una regla falsa y no debe utilizarse. Una razón primordial es que las reglas de diseño válidas tienen pruebas prácticas. Esta no las tiene.

Métodos para controlar la diafonía inversa con enrutamiento en paralelo en vertical

Cuando se ha hecho el enrutamiento arriba y abajo, en el caso en que una línea de transmisión está en una capa y la otra está en la capa superior o inferior, el acoplamiento está dominado por el campo eléctrico, como si se hubiera conectado un pequeño condensador entre las dos líneas de transmisión. Las formas de onda acopladas tienen ese aspecto. Con los cambios rápidos que se producen en la lógica moderna, la cantidad de energía acoplada crece tan rápido con la superposición entre dos pistas que excede los límites permitidos con recorridos muy cortos.

La única forma segura de controlar la diafonía de la PCB con capas de señal adyacentes es enrutando las pistas de una capa en la dirección X y, las de la otra capa, en la dirección Y. La mayoría de los sistemas de diseño de PCB ofrecen la posibilidad de especificar una capa como X y la otra como Y para evitar este tipo de superposición. Desafortunadamente, muchos de ellos infringen esta restricción en ocasiones, por lo que el diseñador debe comprobar después del enrutamiento que se ha seguido esta regla.

Cálculo de la diafonía en diseños de PCB

Hay muchas reglas genéricas sobre cómo espaciar las pistas para controlar la diafonía para diferentes frecuencias de onda y diseños de PCB. Entre ellas están: tres veces la altura sobre el plano más cercano; dos veces el ancho de pista y cuatro veces el ancho de pista. Pueden sonar un poco arbitrarias, y lo son. Para determinar cuál debe ser el espaciado, la primera pregunta que debes responderte es: ¿cuánto ruido de diafonía es aceptable? Dado que los diseñadores de PCB deben tener en cuenta muchos elementos, desde el tamaño de la placa de circuito impreso a la integridad de la señal o la impedancia, por nombrar algunos, esta es una cuestión importante. Esto depende de una serie de factores, entre ellos: ¿discurre la pista perturbada junto a otra de una amplitud mucho mayor o junto a otra de la misma amplitud?

Determinación del nivel de ruido aceptable

En la referencia 2 al final de esta sección, hay un capítulo dedicado a la creación de reglas de diseño utilizando análisis del margen de ruido. En esta sección se muestra que el balance de ruido de una familia lógica lo consumen varias fuentes de ruido. En el caso de CMOS, hay cuatro fuentes principales de ruido. Estas son: diafonía, reflexiones, rizado en Vdd (tensión positiva de alimentación) y Vdd y rebote de tierra en los encapsulados de CI. Una vez calculada la cantidad de ruido de las tres últimas, el resultado se resta del margen de ruido de la familia lógica para llegar al nivel tolerable de diafonía.

Un método analítico para determinar la diafonía de la PCB

Existen herramientas analíticas que permiten calcular la diafonía que resultará de una geometría propuesta entre dos líneas de transmisión. La figura 6 muestra una captura de pantalla en Hyperlynx^® de un par de líneas de transmisión que se utilizarán para calcular la diafonía de una geometría propuesta. Se trata de dos circuitos CMOS, con el superior activo y el inferior configurado en un 0 lógico.

Figura 6. Diagrama de circuito utilizado para calcular la diafonía en el diseño de circuitos impresos

La figura 7 corresponde a una pantalla en la que se muestra cómo se especifica la separación entre pistas, así como el ancho y alto de la pista por encima del plano. Cabe señalar que el ancho de la pista no influye en la diafonía; solo la separación de borde a borde y la altura por encima del plano más cercano influyen una vez que las líneas de transmisión se han enrutado más allá de la "longitud crítica".

Figura 7. Pantalla en la que se muestra la geometría del par acoplado de la figura 6 al calcular la diafonía

La figura 8 representa un conjunto de formas de onda resultantes del cambio de un 1 lógico a un 0 lógico en la línea conducida. La forma de onda roja es la señal en el conductor en la línea conducida, y la forma de onda púrpura es la señal en el receptor en la línea conducida. La línea amarilla plana es la salida de la línea perturbada que está en un 0 lógico y la forma de onda con la protuberancia es el extremo del receptor de la línea perturbada.

Figura 8. Formas de onda cuando la línea conducida de la figura 6 cambia

El ruido en la línea perturbada aparece en el extremo "directo" o receptor, y no parece ser diafonía inversa, que debería aparecer en el extremo "inverso" de la línea perturbada. El motivo es que el extremo conducido de la línea perturbada es un 0 lógico, que es un cortocircuito. En la sección sobre líneas de transmisión, se observaba que los cortocircuitos no absorben energía. En lugar de eso, la reflejan como una forma de onda invertida, como se muestra en la figura 8. La segunda observación en la sección sobre líneas de transmisión es que los circuitos abiertos tampoco absorben la energía, sino que la reflejan duplicada, como es el caso en la figura 8.

La amplitud de la diafonía (o crosstalk) en la figura 8 es de aproximadamente 1 voltio en una línea de señal de 3,3 voltios. Esta es claramente demasiado grande. La solución está en volver a la pantalla donde se establecen la altura y el espaciado y ajustar uno o ambos valores hasta que la diafonía resultante esté dentro de los márgenes de diseño. Una vez efectuado este análisis, las reglas de diafonía resultantes serán precisas, y no consecuencia de alguna regla general arbitraria.

Referencias de diseño de alta velocidad

• “90 Degree Corners, The Final Turn” Doug Brooks y otros, Printed Circuit Design, enero de 1998.
• SIGNAL INTEGRITY- SIMPLIFIED, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• “Reflections and Crosstalk in Logic Circuit Connections,” John A DeFalco, IEEE Spectrum, julio de 1970.
• “Right the First Time, a Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, volúmenes 1 y 2,” Zasio y Ritchey, Speeding Edge 2003 y 2006.

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