Ajuste de Retardo para Señales de Alta Velocidad: Lo Que Necesitas Saber

Líneas de longitud emparejada en un PCB

Si observas dos lecturas de señal en un osciloscopio, puedes ver cómo las discrepancias de longitud/tiempo entre las pistas de señal pueden activar incorrectamente las puertas aguas abajo. La situación empeora cuando observamos el tiempo de viaje para una señal de reloj maestro y el tiempo de ida y vuelta para los datos enviados/recibidos en diferentes interfaces de computadora. SDRAM ha resuelto esto de manera eficiente colocando un reloj en el dispositivo esclavo y enviando una señal de reloj junto con los datos recuperados, mientras que otras interfaces (USB 3.0, SATA, etc.) extraen la señal de reloj directamente de los datos.

Para el resto de nosotros, la sintonización de retraso entre múltiples interconexiones paralelas, trazas en un par diferencial y con una señal de reloj asegura que los datos lleguen al lugar correcto en el momento adecuado. Aplicar cualquier esquema de ajuste de longitud requiere trabajar con tiempos de retraso de señal en diferentes estándares de señalización/interfaz, no solo una longitud simple. Esto es lo que necesitas saber sobre el diseño para la sintonización de retraso y mantener las señales sincronizadas.

Sintonización de Retraso vs. Ajuste de Longitud

La sintonización de longitud y la sintonización de retraso básicamente se refieren a la misma idea; el objetivo es establecer las longitudes de las pistas de señal en un grupo emparejado de redes al mismo valor de longitud. La idea es asegurar que todas las señales lleguen dentro de cierto desajuste de tiempo restringido. Cuando dos pistas de señal no coinciden dentro de un grupo emparejado, la forma habitual de sincronizar señales es agregar retraso a la pista de señal más corta añadiendo algo de meandro. El trombón, diente de sierra y el acordeón meandroso son formas típicas de agregar retraso a una pista.

Ya sea que estés aplicando la sintonización de retraso entre una señal de reloj y múltiples líneas de señal, dentro de un par diferencial, o entre múltiples pares diferenciales en ausencia de una línea de reloj, necesitas conocer las tolerancias de tiempo específicas para tus señales. Con receptores de par diferencial y componentes en canales SerDes, los factores limitantes que determinan el desajuste de longitud permitido entre cada señal son el tiempo de subida de la señal y el retraso de propagación en un interconector.

Las diferentes interfaces que funcionan a diferentes tasas de datos y con estándares de señalización diferentes especificarán diferentes valores permisibles de desajuste de longitud o de tiempo. Estos valores de desajuste generalmente asumen que estás trabajando con FR4, pero los diseños más especializados en sustratos con una constante dieléctrica diferente llevarán diferentes restricciones de coincidencia de longitud. Al planificar los canales de E/S en tu placa, debes buscar estos valores de desajuste de longitud permitidos para tu placa y convertir este desajuste permitido en un desajuste de tiempo (ver la ecuación a continuación).

Trabajando con Desajuste de Tiempo

Trabajar con un desajuste de tiempo en lugar de un desajuste de longitud es la idea central en la sintonización de retrasos. Si estás trabajando con software de diseño de PCB que solo considera un desajuste de longitud, entonces necesitas calcular el desajuste de longitud correcto para tu sustrato particular. El desajuste de longitud es igual al desajuste de tiempo multiplicado por la velocidad de la señal (unidades de in./ps) en tu sustrato particular:

Ecuación de velocidad de señal (unidades: in./ps)

En general, un sustrato con una constante dieléctrica mayor causa que la velocidad de la señal sea más baja, lo que aumenta la longitud de desajuste permitida entre dos señales. De manera similar, si estás sobrealimentando componentes estándar, tendrás un tiempo de subida más corto (mayor tasa de cambio), lo que también impone restricciones más estrictas en tu temporización. Como una aproximación de primer orden, si reduces a la mitad el tiempo de subida de la señal, entonces la restricción de temporización permitida también debería reducirse a la mitad.

El desajuste permitido normalmente se define en términos de una tolerancia en el período del reloj más que en el tiempo de subida. Para un período de reloj dado, el desajuste de longitud permitido es inversamente proporcional a la velocidad de la señal. Con desajustes de longitud que se citan asumiendo una constante dieléctrica (por ejemplo, FR4), necesitarás convertir el desajuste de longitud usando la velocidad de la señal para tu material de sustrato particular.

Desajuste de Fase en Pares Diferenciales

El término "desajuste de fase" a veces se menciona junto con la sintonización de longitud y la sintonización de retraso, pero tiene una consecuencia importante cuando se trabaja con pares diferenciales. En algunos casos con el enrutamiento de pares diferenciales, como cuando un par diferente necesita pasar por vías colocadas de manera extraña, puede haber una región corta donde cada extremo del par está desacoplado. Esto puede surgir además de que la longitud total del par esté desajustada, y varios pares en un grupo emparejado pueden requerir también un ajuste de longitud.

El emparejamiento de fase requiere agregar pequeñas cantidades de cobre en el extremo desajustado de tal manera que las longitudes de las trazas en la región desacoplada estén ajustadas en longitud. Esto es bastante importante para asegurar que un par diferencial pueda suprimir adecuadamente el ruido de modo común; cualquier ruido de modo común inducido en la porción desacoplada debería propagarse sobre la misma distancia para asegurar que permanezca emparejado en ambos pares una vez que alcance el receptor.

No necesitarás medir manualmente las longitudes de las trazas cuando definas las tolerancias de longitud adecuadas como reglas de diseño.

Intra-Pares vs. Inter-Pares

Normalmente, cuando nos referimos a la sintonización de retraso o al emparejamiento de longitud, estamos hablando de las dos pistas dentro de un par que se utiliza para hacer una conexión en serie. Sin embargo, podría ser necesario aplicar la sintonización de retraso/emparejamiento de longitud entre dos pares diferenciales. Un ejemplo proviene de DDR, donde se debe aplicar el emparejamiento de longitud a las líneas diferenciales de estroboscopio (DQS) y de reloj diferencial. Como ejemplo, para DDR3, el sesgo permitido entre estos pares diferenciales es de 5 ps según las directrices de Intel.

Una vez que la fase está emparejada en la región no acoplada, debes verificar que el resto del par diferencial esté adecuadamente emparejado en longitud para que las transiciones de borde caigan dentro de los límites de sesgo permitidos. Sin embargo, la longitud debe ser consistente a lo largo del par si originalmente fue enrutado correctamente. Al agregar una sección de emparejamiento de longitud a un par diferencial como parte de la compensación de sesgo entre pares, la sección de emparejamiento de longitud debe colocarse simétricamente a lo largo del par diferencial. Ten en cuenta que las restricciones de sesgo entre pares suelen ser más laxas que los valores de sesgo intra-pares para proporcionar una supresión de ruido de modo común suficiente y extracción de señal.

Más sobre la Sintonización de Retraso: Efecto Pin-Paquete

Una vez que la señal llega a un pin/pad en un componente particular, todavía necesita viajar a través del conductor expuesto, a lo largo del alambre de unión hacia el interior del paquete y entrar en el dado del paquete. El conductor expuesto, pad/pin y la entrada al circuito interno tienen cierta inductancia y capacitancia parásitas, y la señal viaja a una velocidad diferente mientras atraviesa el alambre de unión comparado con su viaje en una traza de señal. Los alambres de unión también tienen algunas geometrías ligeramente diferentes, lo que añade diferentes niveles de retraso a las señales en diferentes pines.

Todos los fabricantes de dispositivos deberían poder informarte sobre el retraso pin-paquete, para un componente particular. Esto se especifica ya sea como un retraso en picosegundos, o como una longitud (usualmente en mm o micrones). Deberías poder recuperar este valor de retraso de la documentación IBIS 6 para el componente particular. Esta longitud debería incluirse al realizar cualquier tipo de ajuste de retraso/longitud con señales en un par diferencial o para múltiples señales diferenciadas/terminadas sincronizadas.

Con las potentes herramientas de enrutamiento interactivo y análisis posterior al diseño en Altium Designer^®, contarás con un paquete completo basado en un motor de diseño unificado y regido por normas, lo que te permitirá implementar la sintonización de retrasos para señales de alta velocidad y realizar importantes simulaciones de integridad de señal. También dispondrás de un conjunto completo de herramientas para construir esquemáticos, gestionar componentes y preparar los entregables para tu fabricante.

Ahora puedes descargar una prueba gratuita de Altium Designer y aprender más sobre las mejores herramientas de diseño, simulación y planificación de producción de la industria. Habla hoy mismo con un experto de Altium para saber más.

Empieza el viaje para cambiarte a Altium Designer hoy mismo.