La transferencia de ruido es molesta en las PCBs, aprende cómo contener el diafonía de la mano del experto Lee Ritchey

Las palabras diafonía y acoplamiento se utilizan para describir la inyección de energía electromagnética de una línea de transmisión a otra cercana. En las placas de circuito impreso, la diafonía suele ser dos pistas corriendo una al lado de la otra en la misma capa o una encima de la otra en capas adyacentes. Esta energía acoplada aparece como ruido en la pista afectada y puede causar malfuncionamientos si la amplitud es demasiado grande. Aprende cómo se transfiere este ruido de pista a pista y los métodos para prevenir que suceda.

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DIAFONÍA O ACOPLAMIENTO

Las palabras diafonía y acoplamiento se utilizan para describir la inyección de energía electromagnética de una línea de transmisión a otra cercana. En las placas de circuito impreso, la diafonía suele ser dos pistas corriendo una al lado de la otra en la misma capa o una encima de la otra en capas adyacentes. Esta energía acoplada aparece como ruido en la pista afectada y puede causar malfuncionamientos si la amplitud es demasiado grande. Esta sección describirá cómo se transfiere este ruido de pista a pista y los métodos para prevenir que suceda.

La Figura 1 es un diagrama que muestra dos líneas de transmisión viajando una al lado de la otra. La línea de transmisión superior se muestra en conmutación y la inferior está inactiva. Nótese que hay dos formas de onda junto a la línea víctima. Una está al final de las líneas donde el conductor está en la línea impulsada y la otra está en el extremo opuesto o extremo lejano. Note que las formas de las ondas son diferentes. La forma de onda en el extremo del conductor de la línea víctima se llama usualmente interferencia por diafonía hacia atrás o "diafonía en el extremo cercano", "NEXT" y la forma de onda en el extremo lejano de la línea víctima es "interferencia por diafonía hacia adelante" o "diafonía en el extremo lejano", "FEXT".

El aspecto exacto de estas dos formas de onda dependerá de lo que se encuentre en los cuatro extremos de las líneas de transmisión. Las posibilidades son: un cortocircuito, una terminación o un circuito abierto. La referencia 1 al final de esta unidad describe en detalle cómo estas terminaciones afectan las señales vistas en la línea afectada. De ese documento se observará que el peor caso es cuando los extremos lejanos de ambas líneas son circuitos abiertos y el extremo cercano de la línea afectada es un cortocircuito. Eso resulta ser cómo operan la mayoría de los circuitos CMOS. Bajo estas condiciones, las formas de onda vistas en la línea afectada se verán muy similares a las mostradas en la Figura 1.

En esta discusión, el análisis se realizará usando este conjunto de condiciones de "peor caso".

Figura 1 Dos Líneas de Transmisión Lado a Lado Interactuando

La Figura 2 muestra cómo las dos formas de diafonía (hacia adelante y hacia atrás) varían a medida que la longitud por la que las dos líneas de transmisión viajan lado a lado se hace más larga. Nótese que la diafonía hacia adelante aumenta más lentamente que la diafonía hacia atrás a medida que la longitud acoplada se alarga. Además, observe que llega un punto en el que la diafonía hacia atrás no aumenta con incrementos en la longitud acoplada. Esto se llama la "longitud crítica" o la longitud en la que la diafonía hacia atrás no continúa aumentando o satura.

El crosstalk directo aumenta mucho más lentamente que el crosstalk inverso y no se convierte en un factor en los circuitos impresos ya que la longitud de la carrera paralela es demasiado corta. Esta forma de crosstalk fue un problema mayor para las compañías telefónicas cuando las líneas eran de muchos metros de longitud. Esta sección se centrará en formas de controlar el crosstalk inverso.

Figura 2. Crosstalk Directo e Inverso como Función de la Longitud Acoplada

Métodos para Controlar el Crosstalk Inverso con Enrutamiento Lado a Lado

Cuando las líneas de transmisión se ejecutan una al lado de la otra, el mecanismo de acoplamiento está dominado por el componente magnético del campo electromagnético. En el enrutamiento superior e inferior, el campo eléctrico dominará.

Se han propuesto varios métodos para controlar el crosstalk inverso. Entre estos se encuentran:

• Restringir la longitud que las líneas de transmisión se ejecutan una al lado de la otra
• Insertar “trazas de guardia” entre las dos líneas de transmisión
• Filas de vías de “tierra” a ambos lados de una señal sensible

Restricción de la Longitud de la Carrera Paralela

El método más propuesto para controlar el diafonía es limitar la longitud en la que dos líneas de transmisión corren una al lado de la otra. Incluso hay rutinas en varios enrutadores de PCB que permiten insertar un número de longitud y permiten que la herramienta de enrutamiento evite rutas más largas que esta cantidad. Para que este método funcione, esta longitud debe ser menor que la longitud crítica mostrada en la Figura 2. Si la longitud de una carrera paralela alcanza la longitud crítica, se puede ver que continuar corriendo en paralelo más allá de ese punto no resulta en un aumento de la diafonía. La Figura 3 es un gráfico de la longitud crítica como función del tiempo de subida de la señal. Hay tres curvas en el gráfico correspondientes a tres diferentes constantes dieléctricas (er). Dos corresponde a Teflón, tres corresponde a la mayoría de los cables de cinta y cuatro corresponde a la mayoría de los dieléctricos encontrados en los PCBs.

Como se puede observar, a medida que los tiempos de subida se hacen más rápidos, la longitud crítica se hace más corta. Con un tiempo de subida de 1.4 nSec, la longitud crítica es de aproximadamente 6 pulgadas o 15 cm. Si el enrutador se configurara para permitir tres pulgadas de recorrido paralelo, sería posible realizar la mayoría de las conexiones en la mayoría de los diseños sin quedarse sin espacio en la placa o capas. Desafortunadamente, muy pocos circuitos integrados modernos son tan lentos. Actualmente, tiempos de subida tan rápidos como 100 picosegundos son muy comunes. Mirando la Figura 3, se puede ver que la longitud crítica a 100 picosegundos es de menos de media pulgada o aproximadamente 1.5 cm. Con estos tiempos de subida, el control de longitud no funcionará. Esto ha sido bien conocido en la industria de los supercomputadores durante mucho tiempo y no ha sido el método utilizado para controlar el crosstalk hacia atrás.

Figura 3. Longitud Crítica como Función del Tiempo de Subida de la Señal

Si el control de longitud para limitar el crosstalk no funciona, ¿qué método sí funciona?

Refiriéndose de nuevo a la Figura 2, se puede observar que una vez que se ha alcanzado la longitud crítica, continuar con el enrutamiento paralelo no resulta en crosstalk adicional. En este punto, solo hay dos parámetros que afectan la cantidad de crosstalk. Estos son la altura hasta el plano más cercano y la separación de borde a borde. La Figura 4 es un gráfico que muestra cómo varía el crosstalk con la altura sobre el plano más cercano y la separación de borde a borde una vez que se ha alcanzado la longitud crítica.

Figura 4. Crosstalk hacia atrás como función de la altura sobre el plano y la separación, Stripline

La Figura 4 lleva por título “Stripline descentrado”. Esto significa que las líneas de transmisión están entre dos planos pero no están centradas entre los dos planos. Esto es típico de PCBs que tienen dos capas de señal entre un par de planos. Nótese que el crosstalk disminuye sustancialmente a medida que se reduce la altura sobre el plano más cercano. También disminuye aún más rápidamente a medida que las pistas se separan entre sí. La Figura 5 es un gráfico que muestra estos valores para micro-stripline, capas de señal que están en el exterior de un PCB.

Figura 5. Crosstalk hacia atrás como función de la altura sobre el plano y la separación, Micro-stripline

Rastros de Protección

Muchas reglas empíricas han recomendado insertar "trazas de guarda" entre líneas de transmisión como un método para controlar el diafonía. Si esto funciona, ¿por qué funciona? Y si funciona, ¿hay alguna desventaja en usar este método? La "práctica estándar" en muchas empresas es trazar con líneas de 5 mil y espacios de 5 mils. Refiriéndose a la Figura 4, si un PCB se trazara siguiendo estas reglas y la altura sobre el plano más cercano fuera de 5 mils (también) la diafonía sería de aproximadamente el 8%. Si esto se determinara como excesivo y se agregara una traza de guarda, ¿qué implicaría eso? Para hacer espacio para la traza de guarda, se necesita agregar un espacio de 5 mil y una traza de 5 mil. Ahora, la separación de borde a borde es de 15 mils en lugar de 5 mils y la diafonía es de menos del 1%. No fue la traza de guarda lo que causó esta disminución. Fue la separación.

Las desventajas de agregar trazas de guarda son: Esto hace que el trazado sea mucho más difícil. La traza de guarda no es una barrera. Es un circuito resonante que puede aumentar la diafonía al crear un filtro de paso de banda.

El método adecuado para controlar la diafonía en el trazado lado a lado es solo la separación.

Filas de Vias de "Tierra"

Un método propuesto por algunas notas de aplicación y gurús es colocar vías de "tierra" a ambos lados de una traza "crítica" para proteger una línea de transmisión sensible. Este tipo de regla no va acompañada de ninguna prueba de que sea válida. También se acompaña de respuestas vagas cuando se pregunta cuántas vías usar y a qué distancia. Si fuera útil y necesario, ninguno de los servidores y enrutadores que diseñamos todos los días sería posible, ya que no habría suficiente espacio para todas esas vías. Esta es una regla falsa y no debería usarse. Una observación predominante es que las reglas de diseño válidas tienen pruebas directas. Esta no las tiene.

Métodos para Controlar el Crosstalk Inverso con Enrutamiento Superior-Inferior

Cuando se realiza un enrutamiento superior e inferior, donde una línea de transmisión está en una capa y la otra está en la capa superior o inferior, el acoplamiento está dominado por el campo eléctrico, casi como si se hubiera conectado un pequeño capacitor entre las dos líneas de transmisión. Las formas de onda acopladas tienen esa apariencia. Con los bordes rápidos de la lógica moderna, la cantidad de energía acoplada crece tan rápidamente con la superposición entre dos trazas que supera los límites permitidos con recorridos muy cortos.

La única forma segura de controlar el diafonía con capas de señales adyacentes es trazando las pistas en una capa en la dirección X y en la otra capa en la dirección Y. La mayoría de los sistemas de diseño de PCB tienen la capacidad de especificar una capa como X y la otra como Y para prevenir este tipo de superposición. Desafortunadamente, muchos de ellos violarán esta restricción de vez en cuando, por lo que es necesario revisar doblemente después de trazar para asegurarse de que esta regla se haya seguido.

Calculando la Diafonía

Hay muchas reglas empíricas circulando sobre cómo espaciar las pistas para controlar la diafonía. Entre estas están: tres veces la altura sobre el plano más cercano; dos veces el ancho de la pista y cuatro veces el ancho de la pista. Esto suena un poco arbitrario y lo es. Para determinar cuál debe ser el espaciado, la primera pregunta que necesita respuesta es ¿cuánto ruido de diafonía es aceptable? Esto depende de varias cosas, incluyendo si la pista víctima está corriendo junto a otra pista con una amplitud mucho mayor o si está corriendo al lado de otra pista con una señal de amplitud similar.

Determinando Cuánto Ruido es Aceptable

En la referencia 2 al final de esta sección, hay un capítulo sobre la creación de reglas de diseño utilizando el análisis de margen de ruido. En esta sección se muestra que el presupuesto de ruido de una familia lógica es consumido por varias fuentes de ruido. Para CMOS, hay cuatro fuentes principales de ruido. Estas son: diafonía, reflexiones, ondulaciones en Vdd y rebote de tierra y Vdd en los paquetes de IC. Una vez calculada la cantidad de ruido de las últimas tres, esta se resta del margen de ruido de la familia lógica para llegar a la cantidad de diafonía que se puede tolerar.

Un Método Analítico para Determinar la Diafonía

Existen herramientas analíticas que permiten calcular la diafonía que resultará de una geometría propuesta entre dos líneas de transmisión. La Figura 6 es una captura de pantalla en Hyperlynx^® de un par de líneas de transmisión que se utilizarán para calcular la diafonía de una geometría propuesta. Son dos circuitos CMOS con el superior activo y el inferior configurado en un lógico 0.

Figura 6. Diagrama de Circuito utilizado para Calcular la Diafonía

La figura 7 es una pantalla que muestra cómo se especifica la separación entre pistas, así como el ancho y la altura de la pista sobre el plano. Cabe destacar que el ancho de la pista no tiene influencia en el acoplamiento, solo la separación de borde a borde y la altura sobre el plano más cercano están involucrados una vez que las líneas de transmisión han sido trazadas más allá de la "longitud crítica".

Figura 7. Pantalla que muestra la geometría de par acoplado en la Figura 6

La figura 8 es un conjunto de formas de onda que resultan cuando la línea impulsada cambia de un lógico 1 a un lógico 0. La forma de onda roja es la señal en el conductor en la línea impulsada y la forma de onda púrpura es la señal en el receptor en la línea impulsada. La línea amarilla plana es la salida de la línea víctima que está en un lógico 0 y la forma de onda con el bulto en ella es el extremo receptor de la línea víctima.

Figura 8. Formas de onda cuando la línea impulsada en la Figura 6 cambia

El ruido en la línea víctima aparece en el extremo "hacia adelante" o receptor de la línea víctima y no parece ser diafonía hacia atrás, la cual debería aparecer en el extremo "hacia atrás" de la línea víctima. La razón de esto es que el extremo impulsado de la línea víctima es un lógico 0, lo cual es un cortocircuito. Desde la sección sobre líneas de transmisión se observó que los cortocircuitos no absorben energía. En cambio, la reflejan como una forma de onda invertida como se ha mostrado en la Figura 8. La segunda observación en la sección de línea de transmisión es que los circuitos abiertos tampoco absorben la energía sino que la reflejan de vuelta duplicada, como es el caso en la Figura 8.

La amplitud de la diafonía en la Figura 8 es de aproximadamente 1 voltio en una línea de señal de 3.3 voltios. Esto es claramente demasiado grande. La solución es volver a la pantalla donde se establecen la altura y el espaciado y ajustar uno o ambos hasta que la diafonía resultante esté dentro de la ventana de diseño. Una vez que se ha realizado este análisis, las reglas de diafonía resultantes serán precisas y no el resultado de alguna regla empírica arbitraria.

REFERENCIAS DE DISEÑO DE ALTA VELOCIDAD

• “90 Degree Corners, The Final Turn” Doug Brooks, et al, Printed Circuit Design, enero de 1998.
• INTEGRIDAD DE SEÑAL - SIMPLIFICADO, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• “Reflexiones y diafonía en conexiones de circuitos lógicos,” John A DeFalco, IEEE Spectrum, julio de 1970.
• “Correcto a la primera, un manual práctico sobre diseño de PCB y sistemas de alta velocidad, Volúmenes 1 & 2,” Zasio y Ritchey, Speeding Edge 2003 y 2006.

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