Cómo: Emparejamiento de Impedancia y Terminación de Cargas Capacitivas

Para aquellos de ustedes que prestan atención a los canales de Youtube de Altium, saben que la integridad de señal es un tema candente y genera muchas preguntas. Recientemente recibí una pregunta interesante de un espectador que preguntaba sobre la terminación de cargas capacitivas:

Veo que hay muchos videos excelentes sobre la coincidencia de impedancias y el diseño del ancho de las pistas para igualar cualquier impedancia de cable entrante, pero ¿qué pasa con la coincidencia de cargas capacitivas?

Los MOSFETs de generación actual y los GaN HEMTs son capaces de conmutación sub 100 ns en este punto y por lo tanto siento que la coincidencia con la puerta de un dispositivo de potencia se va a convertir en un problema mucho mayor en el futuro...

Como explicaré a continuación, la idea de una carga puramente capacitiva es algo así como una falacia. Sí, los capacitores existen, pero todos los capacitores son no ideales, y es esta desviación de una capacitancia teórica lo que determina cómo hacer la coincidencia de impedancia de una carga que exhibe comportamiento capacitivo. Vamos a echar un vistazo a este aspecto importante del diseño de interconexión y ver lo que realmente significa terminar una carga capacitiva.

¿Qué es una Carga Capacitiva?

Muy simplemente, las cargas puramente capacitivas no existen. Incluso los bancos de capacitores no son verdaderamente cargas "capacitivas", al menos desde una perspectiva de potencia reactiva. En electrónica, y específicamente en PCBs, una carga que parece ser capacitiva solo lo será en un cierto rango de frecuencias, y la capacitancia puede no surgir debido a capacitores colocados intencionalmente.

En cambio, en electrónica, cuando decimos que una carga es capacitiva, lo más probable es que nos estemos refiriendo a la impedancia de un componente, o específicamente a su impedancia de entrada. Una impedancia de entrada capacitiva generalmente disminuye con el aumento de la frecuencia y causa que la corriente adelante en fase al voltaje. Algunos ejemplos incluyen:

• circuitos RC o algunos circuitos RLC
• Entradas/Salidas en circuitos integrados
• El terminal de puerta en MOSFETs
• Tramos en líneas de transmisión, dependiendo de su longitud y terminación
• Redes de adaptación de impedancia

En otras palabras, el elemento se aproxima como un capacitor, incluso si no actúa exactamente como tal. Con esto en mente, exploremos dos casos principales donde se consideran la impedancia capacitiva y la terminación: señales analógicas de banda estrecha y señales digitales de banda ancha.

Señales Analógicas

Si solo estás trabajando a una frecuencia específica, o en un rango muy estrecho de frecuencias, entonces querrás usar un circuito de filtro LC estándar. Específicamente, se utilizará normalmente un grupo de dos capacitores o un filtro L para determinar lo siguiente: la parte real de la impedancia de carga debe ser mayor que cero. Esto refleja el hecho de que, para una carga real, no será puramente capacitiva.

Para hacer coincidir completamente la impedancia de todo un interconector, deberías usar el siguiente proceso:

1. Determina el circuito de filtro LC requerido para ajustar la impedancia equivalente (carga + filtro) a la impedancia objetivo. Esto se hace fácilmente con una transformación serie/paralelo y resolviendo los valores de L y C.
2. Calcula la impedancia de entrada para tu línea de transmisión particular tal como se ve en el extremo de entrada usando la fórmula estándar.
3. Ajusta la impedancia de fuente para que coincida con la impedancia de entrada calculada en el Paso 2.

Las diferentes impedancias utilizadas para una carga capacitiva se muestran a continuación. Típicamente, la red de adaptación será una red L-match o un par de capacitores/inductores en una disposición pi con la carga. El diseñador puede elegir la funcionalidad de paso alto o paso bajo en la red de adaptación y aplicar análisis de circuitos para obtener Zeq.

El paso 1 es fundamental en el análisis de circuitos, así que no mostraré una explicación completa aquí, probablemente cubra esto en otro artículo. Puedes encontrar un excelente tutorial en este enlace (comenzando en la Página 3). En el Paso 2, la impedancia (equivalente) objetivo que calculaste en el Paso 1 se convierte en la carga utilizada en el cálculo de la impedancia de entrada en el Paso 2. Finalmente, en el Paso 3, puede que necesites aplicar una red de adaptación adicional para igualar la impedancia de la fuente con la impedancia de entrada (de la línea + filtro).

Adaptación a la Impedancia de Entrada de la Línea de Transmisión

Mencioné anteriormente que la fuente puede necesitar ser ajustada a la entrada. Lo que quiero decir es que, si la línea es ligeramente más larga que el límite para una línea eléctricamente corta y hay algún desajuste residual, la impedancia de entrada (línea + filtro) puede ser bastante diferente de la impedancia característica de la línea de transmisión. Por lo tanto, necesitas configurar la impedancia de salida de la fuente para que coincida con la impedancia de entrada de la línea en la frecuencia requerida. Esto se hace con otra red de adaptación (ver abajo). Esto podría ser tan simple como una resistencia en serie, aunque en circuitos reactivos con una línea de transmisión a veces tiene sentido también usar un circuito LC para la adaptación de impedancia en la frecuencia requerida.

Puede que estés pensando: ¿por qué solo puedo usar inductores y capacitores para adaptarme a una carga capacitiva arbitraria si necesito tener una impedancia de carga real? La verdad es que la impedancia de carga tendrá una parte real muy pequeña. Incluso para componentes impresos o impedancias arbitrarias, el circuito de carga siempre tendrá alguna resistencia parásita en algún lugar del circuito. Esto surgirá en los terminales de los componentes, trazas de PCB y cualquier otra estructura en el diseño del PCB utilizada para hacer una conexión.

Líneas Cortas

Si la línea de transmisión es corta, entonces las cosas son mucho más fáciles. En este caso, no necesitas la red de adaptación de entrada mostrada arriba. Con una línea corta, la impedancia de fuente Zs solo ve la carga, así que puedes usar la impedancia de fuente como tu objetivo de impedancia al diseñar el bloque de circuito de Adaptación de Salida. En circuitos RF, esto no es lo que típicamente ves, hay propagación a otro bloque de circuito (cable, transmisor, etc.), así que habrá alguna desviación de impedancia de entrada a considerar.

Circuitos Lógicos de Alta Velocidad

No siempre mencionamos esto al discutir circuitos lógicos de alta velocidad, pero las entradas a los circuitos lógicos CMOS tienen cierta capacitancia que está determinada por las dimensiones del transistor y el empaquetado del receptor. Todos los circuitos lógicos basados en transistores son capacitivos, al igual que las pistas que se utilizan para guiar la señal a las entradas. La pista y el empaquetado juntos tienen cierta capacitancia parásita que necesita ser cargada para que la señal propagada sea interpretada como el estado lógico deseado.

La diferencia entre una línea de transmisión y una carga capacitiva es que una línea de transmisión es realmente un circuito LC agrupado (realmente un circuito RLC) con una constante dieléctrica compleja. Por lo tanto, su impedancia es aproximadamente real. Sin embargo, la capacitancia de carga sí crea efectos reales; los valores típicos de capacitancia de carga pueden variar de 1 pF a 100 pF para componentes digitales modernos, dependiendo del empaquetado y del nodo tecnológico. La capacitancia de carga está en paralelo con un circuito lógico de alta impedancia (orden de 1 MOhm), así que juntos actúan como un circuito RC una vez que reciben la onda entrante. Por lo tanto, solo nos preocupamos por aplicar terminación como si todo estuviera hecho de resistores; solo nos importan las frecuencias hasta los límites donde la capacitancia de carga toma el control.

Claramente, esta es una carga "capacitiva". En los circuitos digitales, reconocemos que la capacitancia de carga es un factor limitante de ancho de banda; solo se vuelve importante cuando entramos en las frecuencias altas de GHz, lo que significa que solo nos importa cuando el rango de frecuencia de corte para esta impedancia de entrada se solapa con una fracción significativa del ancho de banda de la señal digital. No es práctico aplicar terminación de banda ancha en estos circuitos para suprimir completamente las reflexiones. Siempre habrá alguna reflexión que ocurra cuando la señal viajera alcance la carga.

Por lo tanto, la industria se ha centrado en cosas como la ecualización y los esquemas de señalización multinivel para recuperar señales y aumentar las tasas de datos para un tiempo de subida dado. En cualquier caso, el elemento de terminación puede estar presente en el dado del componente a menos que se utilice lógica especializada. A continuación, se muestra un ejemplo con terminación paralela.

Una alternativa aquí es el uso de terminación RC en el receptor, pero esto es menos común y requeriría un par de componentes externos. La idea aquí es ralentizar el tiempo de subida, que normalmente estaría limitado por la construcción del dispositivo en el dado (normalmente una entrada de alta impedancia). La terminación RC generalmente no se prefiere para este propósito ya que es mejor ralentizar la señal en el transmisor en lugar de en el receptor. Sin embargo, es posible que no tengas opción en algunos casos, por ejemplo, cuando el transmisor no está ubicado en tu PCB y solo tienes la opción de colocar una terminación RC en el receptor.

La conclusión es esta: para los circuitos integrados digitales, no nos preocupamos necesariamente por la terminación capacitiva porque estamos tratando de hacer coincidir la impedancia sobre el ancho de banda más amplio posible en lugar de en una frecuencia específica. Esto pone la mayoría del énfasis en el diseño del canal físico para asegurar que las pérdidas por retorno sean mínimas en canales cortos y las pérdidas por inserción sean mínimas en canales largos. Si solo nos importara hacer coincidir en una frecuencia específica, podríamos perder la mayoría de la potencia en la señal y podría perderse completamente.

Resumen

Solo para resumir, aquí hay algunos puntos importantes a tener en cuenta:

• No existe una carga puramente capacitiva. Incluso los capacitores dejan de actuar como capacitores ideales a una frecuencia suficientemente alta. Las cargas reales pueden comportarse aproximadamente capacitivas.
• Las señales analógicas pueden coincidir en impedancia con una carga capacitiva con un circuito de filtro LC estándar.
• En los circuitos digitales, no podemos terminar verdaderamente la capacitancia de carga debido a la naturaleza de banda ancha de las señales digitales.

Una vez que hayas determinado tus requisitos de conversión de modo de par diferencial, puedes crear tu geometría de par diferencial y reglas de enrutamiento utilizando las mejores características de diseño de PCB de la industria en Altium Designer. El Layer Stack Manager integrado incluye un solucionador de campos ultra preciso para cálculos de impedancia en geometrías estándar, y puedes aplicar instantáneamente los resultados como una regla de diseño en tus herramientas de enrutamiento. 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 con Altium Designer en Altium 365. Comienza tu prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365 hoy mismo.