Enrutamiento de PCB: directrices de enrutamiento para señales de salida simple y pares diferenciales

A veces, la distinción entre lo que se considera una señal «lenta» o «rápida» puede resultar arbitraria y depender de a quién se le pregunte. Un tema relacionado es si una pista de PCB se considera eléctricamente "corta" o "larga", y podrás ver que hay muchas discrepancias al respecto. Ya sea que tengas que enrutar señales lentas o rápidas en tu PCB, tus pistas deberán seguir unas normas de enrutamiento de PCB para garantizar que la placa funcione según lo previsto.

Como muchos otros programas, Altium Designer® ayuda a facilitar este proceso, pero también va un poco más allá y divide las reglas de enrutamiento de PCB para señales lentas y rápidas en sus propias categorías. Antes de empezar a enrutar señales entre componentes, tendrás que echar un vistazo a tus reglas de diseño y ajustarlas a tus estándares de señalización. Estas son las reglas importantes de enrutamiento de PCB que debes establecer antes de comenzar a enrutar señales en torno a tu PCB.

Reglas de enrutamiento de PCB para señales de salida simple

Tal vez el punto más importante que hay que tener en cuenta sobre las reglas de enrutamiento de PCB es que los estándares de enrutamiento no se definen necesariamente como de "baja velocidad" o "alta velocidad". Esta distinción ha sido creada y perpetuada principalmente por los diseñadores de PCB y surgió en gran medida debido a los problemas de integridad de la señal que surgen cuando los tiempos de elevación de la señal se vuelven muy rápidos (menos de ~1 ns). Por lo tanto, a la hora de configurar tus reglas de diseño, es importante entender las restricciones en tus estándares de señalización, independientemente de si estás tratando con velocidades de señal lentas o rápidas.

El primer lugar en el que buscar las reglas de diseño que necesitas es en la documentación de tus estándares de señalización. La documentación para la mayoría de los estándares está disponible gratis online. A medida que crees más diseños, te familiarizarás más con estos estándares y sabrás qué reglas establecer en tus diseños. Algunas de las reglas de enrutamiento de PCB más comunes que se aplican a muchos estándares para señales de un solo extremo son:

• Longitudes emparejadas. Para los estándares de bus o el enrutamiento de datos en paralelo con la sincronización de la fuente, tendrás que emparejar la longitud de todas las redes en un grupo dentro de cierta tolerancia. Durante el enrutamiento, esto se hace agregando estructuras de ajuste de longitud a una red. 
• Transiciones de vía. Algunos estándares recomiendan limitar el número de transiciones de vía para evitar pérdidas excesivas, reflejos y otros efectos parasitarios. 
• Longitud máxima. A veces se especifica la longitud máxima de una red para un valor tangente de pérdida dado para evitar una atenuación excesiva de la señal. Si utilizas un laminado de baja pérdida, puedes ampliar la longitud en función de la diferencia en los valores de la tangente de pérdida. 
• Espacios libres. Las pistas se deben mantener separadas de otros objetos que no formen parte de la red (almohadillas, componentes, planos, etc.). Esto garantiza la capacidad de fabricación, reduce las corrientes parasitarias no deseadas y proporciona protección contra ESD en el diseño de alto voltaje.
• Ancho e impedancia. Estas dos cantidades están interrelacionadas y se utilizan para controlar la impedancia en el diseño de alta velocidad. Echa un vistazo a este artículo para ver cómo puedes especificar la impedancia y el ancho de trazo como reglas de enrutamiento de PCB. 

Se puede acceder a todas estas reglas de diseño y muchas más en el editor de reglas y restricciones de PCB de Altium Designer. Si necesitas asignar las mismas reglas de enrutamiento de PCB a un grupo de redes (muy común para grupos de señales de salida simple), la forma más rápida es asignar todas las redes de un grupo a una clase de red. Puedes acceder a esta función desde la opción Diseño → Opción de clases (ver más adelante) en la ventana del editor de PCB. Una vez que hayas asignado redes a las clases, puedes usar el editor de reglas y restricciones de PCB para asignar reglas de diseño a redes individuales o a una clase de red.

Otras reglas de enrutamiento de PCB, que puede que no apliquen a normas de señalización específicas, se utilizan para ayudarte a mantener organizado el diseño. Dos ejemplos principales son la topología de enrutamiento y la restricción de la capa de enrutamiento. Para diseños más avanzados, como componentes con huella BGA, puedes usar reglas de diseño para configurar tu estrategia de fanout. Trabajar con pares diferenciales requiere su propio conjunto de reglas de diseño, como se muestra en la siguiente sección.

Reglas de enrutamiento de pares diferenciales

Los pares diferenciales son únicos porque las señales lentas y rápidas se pueden enrutar como pares diferenciales. Independientemente de si las señales son rápidas o lentas, tus pares diferenciales deben obedecer algunas reglas de diseño que normalmente aplicarías para señales de salida simple. Estas son cuatro reglas de diseño importantes que considerar para pares diferenciales:

• Tolerancia de impedancia. Incluso si estás enrutando a menos de la longitud crítica, es mejor apechugar y crear un perfil de impedancia para tus pares diferenciales, a menos que tu estándar de señalización diga lo contrario. Otras restricciones de geometría dependerán de la variación de impedancia permitida a lo largo del par diferencial. 
• Longitud máxima desacoplada. Esto indica la distancia más larga que los dos lados de un par diferencial pueden permanecer desacoplados (es decir, separados por una distancia grande). Esto es importante, ya que la sección desacoplada se verá como una discontinuidad de impedancia, por lo que debe ser lo suficientemente corta. 
• Emparejamiento de longitudes. Recuerda: una señal diferencial se lee tomando la diferencia entre las dos señales, por lo que las dos señales deben llegar al receptor simultáneamente. Las señales más rápidas requieren tolerancias de adaptación de longitud más pequeñas. 
• Longitud neta máxima. Al igual que las señales de salida simple, los estándares de señalización diferencial pueden tener una restricción de longitud máxima. Considera el bus CAN como ejemplo: aunque se trata de un estándar de baja velocidad, la longitud máxima del enlace (pistas de PCB + cable) dependerá de la velocidad de datos que vayas a utilizar en tu sistema. 

En Altium Designer puedes configurar las reglas de diseño para los dos primeros puntos antes mencionados en el área de Enrutamiento → Enrutamiento de pares diferenciales del Editor de reglas y restricciones de PCB. Los otros dos puntos pueden abordarse en el área de alta velocidad. Esto se muestra en la siguiente imagen:

Si estás trabajando con pares diferenciales de alta velocidad, cualquiera de las otras reglas estándar de diseño de alta velocidad mencionadas anteriormente se pueden aplicar a los pares diferenciales. Ten en cuenta que la forma más fácil de hacerlo es asignar los pares diferenciales relevantes a una clase de red de pares diferenciales y luego seleccionar la clase que se regirá por cada regla de diseño.

Si una regla de diseño no está configurada para aceptar una clase de red de par diferencial en el menú desplegable "Dónde coincide el objeto", puedes crear una consulta personalizada utilizando el generador de consultas. Esto se muestra a continuación para asignar la longitud máxima a una clase de red de par diferencial (que se encuentra en el área de alta velocidad del editor de reglas y restricciones de PCB).

Al igual que con las redes de salida simple, lee la documentación sobre tu estándar de señalización antes de empezar a establecer reglas de enrutamiento de PCB. Aquí es donde encontrarás la información relevante sobre las reglas de diseño para los estándares de señalización diferencial (generalmente en la sección de "Capa física" del estándar). Echa un vistazo a este artículo para saber cómo crear un perfil de impedancia, asignar redes a clases de redes de pares diferenciales y configurar algunas reglas de diseño para estas clases antes de comenzar a enrutar pares diferenciales.

Todavía no hemos visto las reglas de integridad de la señal para las señales rápidas, y a estas alturas probablemente habrás notado que Altium Designer incluye restricciones de diseño específicamente pensadas para abordar los problemas de integridad de la señal. Puedes asignar estas reglas de enrutamiento de PCB con el mismo proceso que has seguido para agregar reglas de diseño a redes de salida simple y pares diferenciales. Estas funcionalidades de Altium Designer te aportan control total sobre tu diseño y te ayudarán a enrutar correctamente.

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