La Norma IEEE P370 para Interconexiones de PCB de Alta Velocidad

Las interconexiones de PCB de alta velocidad han continuado siendo un desafío activo en modelado y simulación, especialmente cuando se trata de señales de banda ancha. El estándar IEEE P370 es un paso hacia la dirección de abordar los desafíos enfrentados por muchos diseñadores al determinar los parámetros S de banda ancha para estructuras de alta velocidad hasta 50 GHz. Aunque este estándar ha estado en desarrollo desde 2015, finalmente recibió la aprobación de la junta y aparece como un borrador de estándar activo.

Entonces, ¿cuáles son los desafíos abordados por este estándar y cómo se beneficiarán los ingenieros de integridad de señal? Si eres como yo, te acercas a los problemas de integridad de señal desde una dirección diferente que alguien como Heidi Barnes o Jason Ellison. Un lado de la integridad de señal es la predicción a partir de modelos empíricos o fórmulas analíticas, mientras que el otro lado trata sobre la evaluación y caracterización a partir de mediciones del comportamiento de la señal. IEEE P370 aborda desafíos en el lado de prueba y medición, particularmente para recopilar mediciones específicas de estructuras de prueba complejas en PCBs.

Profundizando en el Estándar IEEE P370

La norma IEEE P370 se ocupa de los procedimientos de prueba y medición para la caracterización de interconexiones eléctricas hasta 50 GHz. Como parte de las tareas de prueba y medición para un dispositivo bajo prueba a frecuencias altas, cualquier instrumento necesita interfazarse con el DUT. Instrumentos de alta frecuencia como reflectómetros de dominio de tiempo (TDRs) y analizadores de redes vectoriales (VNAs) típicamente usan un conector coaxial para recopilar mediciones precisas, pero muchas estructuras reales en un PCB u otros paquetes electrónicos no son coaxiales una vez que crean una interfaz con el DUT.

Como parte de la norma, IEEE P370 tiene como objetivo abordar los desafíos de modelado y caracterización de interconexiones en tres áreas clave del diseño de alta velocidad:

• Diseño de dispositivos de prueba. Los dispositivos de prueba que hacen de interfaz entre un instrumento y el DUT (en este caso, una interconexión eléctrica) causan que los parámetros S medidos del DUT sean diferentes de los parámetros S reales. Lo mismo aplica para otros conjuntos de parámetros utilizados en la caracterización del dispositivo.
• Desincrustación. El proceso para recuperar los parámetros S del DUT se realiza mediante la desincrustación. Desafortunadamente, diferentes instrumentos y herramientas de software tienen diferentes algoritmos para la desincrustación. Parte del problema es que un DUT y sus dispositivos de prueba forman una red de N puertos en cascada, y los parámetros S no se concatenan de manera tan eficiente como los parámetros ABCD.
• Asegurando la calidad de los parámetros S. Los tres problemas principales en la calidad de los parámetros S son asegurar la reciprocidad, la pasividad y causalidad.

Al estandarizar los dos primeros puntos, nos acercamos a alguna estandarización en el tercer punto. Esta tercera área de modelado de interconexiones de alta velocidad es una que sigue siendo un desafío incluso para los ingenieros más experimentados debido a la naturaleza inherentemente limitada por banda de las mediciones de banda ancha. IEEE P370 tiene como objetivo abordar estas inconsistencias con las soluciones descritas en la siguiente tabla.

Veamos cada una de estas áreas un poco más de cerca para ver cómo las cosas pueden cambiar pronto para los ingenieros de integridad de señal.

Estructuras de Prueba

Esta área del estándar IEEE P370 se divide en dos áreas amplias: diseño de estructuras de prueba y calibración. Al usar estructuras de prueba y de calibración estandarizadas, podemos estar razonablemente seguros de que dos ingenieros diferentes con dos instrumentos diferentes (aunque comparables) pueden producir los mismos resultados del parámetro S para un DUT dado utilizando un procedimiento estándar. La estructura de prueba 2x-thru es recomendada bajo P370; echa un vistazo a este artículo del Signal Integrity Journal para aprender más sobre la estructura 2x-thru y cómo se utiliza en el desacoplamiento.

Existen dos estructuras estandarizadas en IEEE P370 que se pueden utilizar para la calibración y la verificación del desacoplamiento de fijaciones: las estructuras de línea y Beatty. La estructura de línea es simplemente una línea de transmisión, para la cual los parámetros S pueden determinarse a partir de los parámetros ABCD de la línea. La estructura Beatty es una cavidad resonante ubicada a lo largo del centro de una línea de transmisión, que tiene un espectro particular de pérdida de retorno y pérdida de inserción para una longitud dada. Esta estructura (ver abajo) puede colocarse en un cupón de prueba o prototipo para la calibración de instrumentos ya que sus parámetros S son bien conocidos.

Desacoplamiento

El procedimiento de desacoplamiento utiliza una biblioteca de acceso abierto de parámetros S estándar de oro para estructuras de prueba estándar especificadas en el estándar IEEE P370. Dado que los parámetros S de la estructura de prueba son conocidos o suministrados por el estándar, entonces los parámetros S de la estructura de prueba pueden eliminarse de los parámetros S de (DUT + estructura de prueba). Esto da solo los parámetros S del DUT, como se muestra en el ejemplo a continuación.

Calidad de los parámetros S

La calidad de una matriz de parámetros S se define en las siguientes tres áreas:

• Causalidad. Al utilizar un método estandarizado para construir una respuesta al impulso, los parámetros S no deben producir artefactos causales en la respuesta en el dominio del tiempo.
• Reciprocidad. Si el DUT en cuestión es realmente recíproco, entonces los parámetros S también deben ser recíprocos, es decir, la matriz de parámetros S es igual a su propia transpuesta.
• Pasividad. Esto está relacionado con la reciprocidad en el sentido de que una red recíproca también debe ser una red pasiva. Los parámetros S necesitan ser evaluados por pasividad, lo que significa que no son funciones de la fuerza de la señal de entrada.

Al establecer límites en estas métricas de calidad, los diseñadores que reciben datos de parámetros S para sus componentes o que colocan estructuras pasivas en sus PCBs pueden estar seguros de que sus simulaciones serán precisas. Esto resuelve un gran problema de datos de parámetros S inconsistentes.

Colocando Estructuras de Prueba en su PCB

Las normas descritas aquí son solo estándares de diseño y análisis como parte de pruebas y mediciones, que finalmente ayudarán a la simulación en solucionadores de campo. Cuando estés listo para crear tu PCB con las estructuras de prueba mostradas aquí, las avanzadas utilidades de diseño de PCB que encontrarás en Altium Designer se pueden utilizar para crear estructuras de prueba precisas para PCBs de alta velocidad. También podrás preparar rápidamente tus placas para la fabricación y el ensamblaje.

Una vez que hayas creado tu placa o cupón de prueba con estructuras de prueba compatibles con IEEE P370, puedes compartir tus datos de diseño en la plataforma Altium 365, lo que te ofrece una manera fácil de trabajar con un equipo remoto y gestionar tus datos de diseño. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para obtener una descripción de las características más en profundidad o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.