Emparejamiento de Longitud para Señales de Alta Velocidad: Ajuste de Trombón, Acordeón y Sierra

Había una vez, las directrices de emparejamiento de longitud para señales de alta velocidad requerían de un diseñador con suficiente habilidad para seguir siendo productivo al aplicar manualmente diferentes esquemas de ajuste de longitud de traza. Con las características avanzadas de enrutamiento interactivo de hoy en día en las herramientas modernas de diseño de PCB, los diseñadores ya no necesitan dibujar manualmente estructuras de ajuste de longitud en un diseño de PCB. La elección restante para un diseñador es decidir qué esquema de emparejamiento de longitud utilizar: trombón, acordeón o sierra.

Entonces, ¿cuál de estas diferentes opciones es mejor para su diseño de alta velocidad? Con trazas suficientemente anchas (es decir, no en el régimen HDI) y señales limitadas por banda cercanas a GHz, no tendrá que preocuparse por los complejos problemas de resonancia que encontrará al trabajar con señales analógicas en los regímenes de mmWave y sub-mmWave. Sin embargo, todavía necesita considerar algunos puntos importantes respecto al comportamiento de la línea de transmisión y la integridad de la señal cuando se trata de emparejamiento de longitud en el diseño de PCB de alta velocidad.

Opciones de Emparejamiento de Longitud para Señales de Alta Velocidad

Ya sea que esté trabajando con un bus paralelo que requiere ajuste de longitud en múltiples señales, o simplemente necesite igualar la longitud de los extremos de un par diferencial, necesitará usar algún método de ajuste de longitud. A bajas velocidades, la diferencia entre los diferentes estilos de ajuste de longitud es superficial debido al mayor tiempo de subida de esas señales. Las diferencias entre estos se hacen más evidentes a velocidades de flanco más rápidas, donde la impedancia de entrada mirando hacia la estructura de ajuste de longitud se vuelve notable y comienza a crear diferentes niveles de conversión de modo en las diversas estructuras a altas frecuencias.

Al seleccionar una opción de ajuste de longitud, tenemos que considerar dos puntos importantes:

• ¿Es el bus de extremo único o paralelo?
• ¿Está controlada la impedancia del bus?
• ¿Cuánta desigualdad se puede tolerar?

Las estructuras de ajuste de longitud siempre crearán tres problemas: desajuste de impedancia en modo impar, NEXT yconversión de modo en pares diferenciales. A continuación, he presentado tres opciones comunes de ajuste de longitud encontradas en diseños de PCB de alta velocidad.

Ajuste en forma de Sierra

El ejemplo más popular de ajuste de longitud es el ajuste en forma de sierra, a veces también llamado ajuste serpentina. Las pautas incluidas aquí son un reflejo de la intención original de esta estructura de ajuste de longitud, que es limitar la conversión de modo y la aparición de diafonía entre las secciones extendidas.

En el ejemplo de ajuste en forma de sierra a continuación, no hay curvas suaves a lo largo del trazo. El trazo debe estar espaciado con precisión, como se muestra a continuación. Primero, hay una regla de “S-2S” que se ha utilizado a continuación; esto se pretendía originalmente para asegurar que doblez de 45 grados se utilicen a lo largo de la longitud del trazo ajustado por longitud. La regla de “3W” (¡no confundir con la regla de prevención de diafonía del mismo nombre!) es realmente un límite superior; la longitud de la porción extendida de la sierra podría variar de W a 3W, aunque algunas pautas difieren en esta regla. Estas dimensiones se utilizan para minimizar cualquier discontinuidad de impedancia a lo largo de la longitud del trazo.

Ajuste de longitud de sierra para señales de alta velocidad: la regla de “3W”.

Ajuste Acordeón

La afinación de acordeón también se conoce a menudo como afinación de longitud serpentina. En lugar de usar la extensión diagonal mostrada arriba, se utiliza una extensión ortogonal para que la longitud de afinación adicional pueda caber en una distancia menor a lo largo del trazo recto.

El diseño mostrado a continuación utiliza múltiples extensiones de trazo de diferentes distancias. Este método se encuentra a menudo en aplicaciones que involucran un bus paralelo de muchas señales unipolares; el ejemplo típico es DDR. Estas señales necesitan sincronización en tiempo, pero estos trazos no son parte de un bus diferencial, por lo que no hay un requisito de fase precisa a través de pares de trazos. Por lo tanto, no importa dónde pongamos las secciones de ajuste de longitud ya que el componente receptor no distingue entre ruido de modo diferencial y de modo común. Es por esto que el enrutamiento típico para una interfaz DDR se verá algo así como el enrutamiento a continuación.

Ajuste de longitud de acordeón para señales de alta velocidad.

Afinación de Trombón

Si estás trabajando con señales de baja velocidad o baja frecuencia, puedes utilizar la técnica de ajuste de longitud tipo trombón en buses paralelos con un mínimo acoplamiento por diafonía de extremo cercano (NEXT, por sus siglas en inglés). Esta técnica no debería usarse para ajustar la longitud de pares diferenciales. Esta es otra opción que se encuentra a menudo en buses paralelos, pero creará mucho más NEXT que el ajuste de longitud tipo acordeón o sierra. La razón de esto tiene que ver con los múltiples giros de 90 y 180 grados en esta configuración de traza.

Si esto se utilizara en un par diferencial, debería ser obvio que la parte del trombón alterna el acoplamiento en modo diferencial y en modo común entre cada lado del par a medida que la señal en un extremo se mueve hacia adelante y hacia atrás a través del trombón. Las señales esencialmente cambian entre la conducción en modo común y en modo diferencial a medida que se propagan; esta es la definición misma de conversión de modo. Al igual que con los otros dos métodos comunes de ajuste de longitud, si debes usar el ajuste tipo trombón, entonces solo deberías ponerlo al final del par diferencial donde surge la discrepancia.

Ajuste de longitud tipo trombón para señales de alta velocidad.

Pares Diferenciales vs. Extremo Único

En los tres métodos mencionados anteriormente, debes tener cuidado de no colocar cada sección de una sección de emparejamiento de longitud serpentina demasiado cerca una de la otra. La extensión alejada del trazo recto y la distancia entre secciones determina dos posibles efectos en la integridad de la señal:

• Buses paralelos y pares diferenciales: NEXT a lo largo de la longitud de la estructura
• Buses paralelos y pares diferenciales: Reflexión de la señal que entra en la estructura de ajuste de longitud
• Para pares diferenciales: Conversión de modo (cambio entre ruido de modo común y ruido de modo diferencial)

El efecto de diafonía (NEXT) y las reflexiones que entran en una sección de ajuste de longitud distorsionarán las señales a medida que viajan a lo largo de la sección de emparejamiento de longitud. El efecto de conversión de modo hace que el ruido de modo común recibido antes de la sección de ajuste de longitud aparezca como ruido de modo diferencial en el receptor. Howard Johnson proporciona una explicación interesante sobre el efecto de diafonía en este artículo.

La tabla a continuación describe cuándo es más apropiado usar cada uno de los métodos de ajuste de longitud discutidos anteriormente.

La verificación requiere simulaciones

Las pautas presentadas aquí son solo eso: pautas. Independientemente de la velocidad de la señal o del estilo de ajuste de longitud con el que trabajes, generalmente se recomienda que cada lado de un par diferencial se trace de manera tan simétrica como sea posible; es comprensible que esto no sea tan simple para buses paralelos anchos. No importa cómo elijas enrutar tus pares diferenciales, siempre debes verificar el comportamiento de cada señal en un par diferencial utilizando algunas herramientas de simulación y, finalmente, mediante mediciones.

También es difícil generalizar exactamente cuál de estas opciones es objetivamente "la mejor" para el ajuste de longitud. Cualquiera que haya visto fallar las reglas empíricas en ciertas situaciones sabe que siempre debes verificar tu diseño, incluyendo el emparejamiento de longitud para señales de alta velocidad, utilizando herramientas de simulación post-diseño. Esto te ayuda a examinar problemas importantes de integridad de señal como el diafonía, la reflexión excesiva de la señal en curvas y el desfase en señales diferenciales o a través de múltiples trazas que requieren sincronización precisa.

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