Consejos y pautas para el diseño de PCB de alta velocidad

En este artículo, examinaremos algunos consejos y pautas para diseños de placas de circuito impreso de alta velocidad.

Cuando se trata de diseños de alta velocidad, generalmente nos preocupamos por dos áreas. La primera de ellas es la integridad de la señal (SI), y problemas relacionados con el diafonía debido al espaciado de las pistas, reflexiones debido a desajustes de impedancia, atenuación de la señal y problemas como el ringing. Por supuesto, nos gustaría minimizar esos problemas lo mejor que podamos. En segundo lugar, nos preocupa la interferencia electromagnética (EMI).

Antes de comenzar, tengo que recomendar un video fantástico en el canal de YouTube de Altium por Rick Hartley sobre el diseño adecuado de PCB y cómo lograr una correcta conexión a tierra. Los temas cubiertos en detalle en ese video son especialmente importantes para diseños digitales de alta velocidad y diseños analógicos de alta velocidad. Asegúrate de ver el video aquí.

¿Qué es un diseño de PCB "de alta velocidad"?

Antes de entrar en estos consejos de diseño y disposición de PCB de alta velocidad, ¡veamos cuándo realmente tenemos que preocuparnos por todo esto!

Digamos, por ejemplo, que tenemos una señal de reloj de 100 MHz en nuestro diseño y asumimos ingenuamente que esta es la frecuencia más alta aparente en nuestro sistema. Resulta que el problema no es realmente que la señal de reloj tenga una frecuencia fundamental de 100 MHz, sino que los problemas de nuestro diseño provienen de los tiempos de subida y bajada de esta señal de reloj casi cuadrada.

Estas transiciones bruscas de pasar de bajo digital a alto digital (o viceversa) contienen un contenido de frecuencia mucho más alto que el fundamental. Dado los tiempos de subida y bajada de una señal (dependiendo de cuál de ellos sea más rápido), podemos calcular la frecuencia máxima dentro de la señal (o más bien el ancho de banda) aproximadamente usando la siguiente fórmula:

Por ejemplo, para una señal de reloj de 100 MHz con un tiempo de subida de 1 ns, el ancho de banda de esa señal es de 500 MHz, ¡una diferencia bastante significativa!

Cuando la longitud de una pista de PCB excede 1/12 de la longitud de onda en el dieléctrico, necesitamos comenzar a considerar nuestro diseño de PCB con mucho más detalle. Este es el punto cuando nuestras pistas comienzan a parecerse a líneas de transmisión de longitud distribuida, y ya no como elementos concentrados. Llamamos a esta longitud la “longitud crítica”.

Consejo #1: Planos de Referencia

Siempre queremos tener un plano de tierra o un plano de potencia relevante adyacente a un plano de señal, directamente en la capa inferior (o superior) a una capa que lleva una traza. En ciertos casos, puedes usar un plano de potencia relevante en lugar de un plano de tierra como referencia. Aquí, relevante significa que el voltaje del plano de referencia es el mismo voltaje del que se deriva la señal. Los planos de referencia no solo son importantes para mantener caminos de retorno adecuados y minimizar la propagación del campo electromagnético, sino también cuando se requieren trazas de impedancia controlada. 

Para señales de AC, cualquier cosa por encima de unos pocos kHz, y el camino de retorno está realmente justo debajo de la traza de señal en el plano de referencia inferior. Una regla muy importante es que no debe haber divisiones en el plano de referencia debajo de las trazas.

Consejo #2: Apilamiento de la Placa

Queremos tener un plano de tierra no solo adyacente a un plano de señal, sino también adyacente a un plano de potencia. También es una buena idea tener un dieléctrico delgado entre planos, lo que a su vez nos da un acoplamiento estrecho y también nos permite usar trazas más delgadas para diseños más densos.

Las trazas más delgadas además nos dan más espacio con el que trabajar, y más espacio entre trazas. Sin embargo, ten en cuenta que la fabricación de trazas delgadas puede ser más difícil.

Consejo #3: Trazas con Impedancia Controlada

Tan pronto como la longitud de nuestra traza exceda la longitud crítica discutida en la introducción de este artículo, necesitamos controlar la impedancia de nuestras trazas. Es decir, necesitamos ajustar el ancho de nuestra traza—dependiendo de nuestro montaje de PCB y construcción elegidos—para darnos una cierta impedancia de línea de transmisión. Típicamente, esto será de 50 Ohmios para señales de extremo único. Altium Designer cuenta con un potente solucionador de campo 2D que puede calcular los anchos de traza requeridos dependiendo de tu montaje y construcción en segundos!

Consejo #4: Longitud de Trazas, Espaciado y la Regla del 3h

Necesitamos mantener las trazas de alta velocidad lo más cortas posible—esto ayuda con la EMI y la SI. Adicionalmente, queremos mantener diferentes trazas de alta velocidad lo más lejos posible unas de otras para minimizar el diafonía.

Además, esfuércese por mantener las pistas de alta velocidad alejadas de componentes como inductores o secciones de potencia de un circuito. Una regla general típica es la regla de 3h, lo que significa que las pistas deben estar separadas por al menos tres veces la altura del dieléctrico entre la capa de señal y la siguiente capa de tierra o de referencia.

Para diseños de alta velocidad y alto rendimiento, a menudo requerimos herramientas de simulación para verificar que estamos cumpliendo con la integridad de señal requerida y los rendimientos de EMI.

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