Introducción al diseño de PCB de alta velocidad: cómo eliminar la diafonía

Hace poco, en una boda, estábamos sentados mi esposa y yo con otra pareja en la misma mesa. Mi esposa y la otra mujer hablaban de manera distendida, y yo intenté entablar una conversación con el otro hombre, que estaba sentado delante de mí. Con todo el ruido de por medio, se hacía muy difícil iniciar la conversación. De hecho, la que mantenían mi esposa y la otra mujer hacía imposible la nuestra. ¡Esto es lo que llamamos diafonía!

Experimentar diafonía durante una conversación puede ser muy molesto. Pero que se nos cuele la diafonía en el diseño de PCB puede ser realmente desastroso. Si no se corrige, puede causar que la placa de circuito que ha elaborado no funcione en absoluto o que esté plagada de problemas persistentes. Veamos con más detalle qué es la diafonía y qué puede hacer para prevenirla.

¿Qué es la diafonía en el diseño de PCB de alta velocidad?

La diafonía es el acoplamiento electromagnético no intencionado entre pistas de un PCB. Este acoplamiento puede causar que los impulsos de señal de una pista sobrepasen los de otra señal, aunque no se toquen físicamente entre sí. Puede ocurrir cuando el espacio entre las pistas paralelas es reducido. De hecho, aunque las pistas mantengan el espacio mínimo requerido para su fabricación, puede que éste no resulte suficiente en términos electromagnéticos.

Imagine que tiene dos pistas dispuestas en paralelo. Si la señal de una de las pistas tiene más amplitud que la otra, la que tiene más amplitud podría perturbar a la otra. Esto hace que la señal de la pista "perturbada" mimetice las características de la pista "perturbadora", en lugar de conducir su propia señal. Cuando esto ocurre, hablamos de diafonía.

Por lo general, tendemos a pensar que la diafonía ocurre entre dos pistas paralelas que se encuentran en la misma capa. Sin embargo, es más habitual que se produzca entre dos pistas paralelas dispuestas en capas adyacentes. Esto se denomina acoplamiento lateral y es más probable que suceda cuando las dos capas adyacentes están separadas por una capa de refuerzo demasiado fina. Puede, incluso, que estemos hablando de un espesor de 4 milésimas de pulgada (0,1 milímetros), que en algunos casos es menor que el espaciado existente entre dos pistas de la misma capa.

Supresión de la probabilidad de diafonía en el diseño de PCB

Afortunadamente, la diafonía se puede controlar. Una manera de evitarla durante el diseño de la placa se consigue poniendo en práctica trucos que minimizan la posibilidad de que ocurra. Aquí tiene algunas técnicas de diseño que le ayudarán a conseguirlo:

1. Mantenga la mayor distancia posible entre los pares diferenciales y otros enrutamientos de señales. Aquí funciona la regla de oro: el espaciado es 3 veces el ancho de la pista.

2. Asegúrese que haya la mayor diferencia posible entre el enrutamiento del reloj y otros enrutamientos de señales. Podemos utilizar la misma regla del pulgar, con un espaciado igual a 3 veces el ancho de la pista.

3. Mantenga la mayor distancia posible entre los diferentes juegos de pares diferenciales. En este caso, la regla de oro indica que tiene que ser un poco más grande, con un espaciado equivalente a 5 veces al ancho de la pista.

4. Enrute las señales asíncronas (como RESET, INTERRUPT, etc.) lejos de los buses y de las señales de alta velocidad. No obstante, sí se pueden enrutar junto a las señales de encendido y apagado o de arranque, pues estas señales rara vez se utilizan durante el funcionamiento normal de la placa.

5. Asegúrese de que dos capas de señales adyacentes en el apilado de la placa alternen las direcciones de enrutamiento horizontal y vertical. Esto reducirá la posibilidad de que se produzca un acoplamiento lateral, al evitarse que las pistas estén dispuestas de manera paralela una encima de la otra.

6. O incluso mejor: separe las capas con una capa de tierra en la configuración del microstrip. Esta capa no sólo aumentará la separación entre las dos capas de señal, sino que también proporcionará la camino de retorno requerido para las capas de señal.

Cómo puede ayudarle su software de diseño a eliminar la diafonía en el diseño de PCB de alta velocidad

Las herramientas de diseño de PCB disponen de funcionalidades incorporadas que le ayudarán a evitar la diafonía en el diseño de PCB. Las reglas de capas de la placa le van a ayudan a evitar el acoplamiento lateral, especificando direcciones de enrutamiento y creando apilados de microstrips. Las reglas de clase de red le permiten asignar un mayor espaciamiento de pistas a los grupos de redes que son más susceptibles a la diafonía. Los enrutadores de pares diferenciales enrutan los pares diferenciales de manera conjunta, considerándolos un par real, en lugar de enrutarlos individualmente. Todo esto facilita que se mantenga el espacio requerido entre las pistas de los pares diferenciales y con otras redes. Todo esto con el objetivo de evitar la diafonía en el diseño de PCB.

Aparte de la funcionalidad integrada de su software de diseño de PCB, también existen otras herramientas que pueden ayudarle a suprimir la diafonía en el diseño de PCB de alta velocidad. Hay diferentes calculadoras de diafonía disponibles que le ayudarán a determinar el ancho y el espaciado de pista óptimos para el enrutado. También hay simuladores de integridad de la señal que le van a permitir analizar su diseño en busca de posibles problemas de diafonía.

Si no se regula, la diafonía en el diseño de PCB puede ser un problema serio en una placa de circuito impreso. Pero ahora que sabe qué aspectos debe observar, ya está preparado/a para evitar este tipo de interferencias. Los consejos de diseño que hemos discutido aquí, junto con la funcionalidad de su software de diseño de PCB le ayudarán a crear diseños libres de diafonía.

El software de diseño de PCB, como Altium Designer, incluye la funcionalidad avanzada que hemos comentado en este artículo. ¿Quiere saber más sobre cómo puede ayudarle Altium a solucionar la diafonía en el diseño de PCB y otros problemas de integridad de la señal del diseño? Hable con un experto de Altium Designer.