Lectura de los perfiles de impedancia de las placas base de alta velocidad

Jason J. Ellison
|  Created: September 10, 2019  |  Updated: December 10, 2020

La impedancia sigue siendo un tema confuso en la comunidad de la integridad de señal. Por definición, la impedancia es la relación entre voltaje y corriente. En realidad, esto no queda claro para nadie. Más en concreto, el término impedancia puede significar varias cosas. 

  • La respuesta de paso del coeficiente de reflexión del ancho de banda en ohmios.
  • La respuesta al impulso del coeficiente de reflexión del ancho de banda en ohmios.
  • Parámetros Z de dominio temporal
  • Parámetros Z de dominio de frecuencia

Los ingenieros de integridad de señal suelen referirse a la primera definición cuando hablamos de impedancia. Por lo tanto, la impedancia en el marco de la integridad de la señal consiste en cuantificar y localizar las reflexiones. Es también el resultado directo de un reflectómetro de dominio temporal (TDR, por sus siglas en inglés) y es algo que contiene valiosa información en cuanto puede leerse. Entonces, ¿cómo se puede saber leer un TDR sin disponer de uno? 

Si posees los parámetros S, tendrás la información necesaria para calcular la salida de un TDR en lugar de medirla. Los parámetros S a una frecuencia dada son una matriz cuadrada, y los términos de reflexión son los elementos diagonales de la matriz. A continuación podrás ver el proceso de convertir los parámetros S de reflexión en impedancia.

  1. Extrapolar el punto de CC.
  2. Interpolar los parámetros S de tal manera que 🛆 y el primer punto no CC sean iguales.
  3. Filtrar los parámetros S si se desea.
  4. Calcular todos los componentes de frecuencia negativa.
  5. Calcular la respuesta al impulso de dominio temporal tomando la transformada de Fourier inversa de los parámetros S simétricos.
  6. Trasladar el vector de dominio temporal de tal modo que t=0 sea el punto medio.
  7. Convertir la respuesta al impulso en respuesta de paso.
  8. Calcular la impedancia a partir del coeficiente de reflexión.

Usar lenguajes de programación como MATLAB, Octave o Python hace que estas etapas sean relativamente sencillas. Sin embargo, no es verdaderamente necesario. Puedes simplemente descargar Signal Integrity Studio de Teledyne LeCroy y usarlo para que calcule por ti el perfil de impedancia. Todo esto suponiendo que dispones de los parámetros S.

Resulta que hay parámetros S de alta calidad que pueden descargarse de forma gratuita. La norma IEEE 802.3 pide a los participantes en sus grupos de trabajo estándar los parámetros S de canales relevantes, y estos canales se publican en su sitio web. Aquí tienes varios repositorios de parámetros S que se encontraron en el sitio web de IEEE 802.3.

10GBASE: http://www.ieee802.org/3/ba/public/channel.html

25GBASE: http://www.ieee802.org/3/100GCU/public/channel.html

50GBASE: http://www.ieee802.org/3/cd/public/channel/index.html

100GBASE: http://www.ieee802.org/3/ck/public/tools/index.html

Verás que algunos de estos canales presentan varios sufijos. CR4 y KR4 son los más habituales. Todo lo que lleva CR es un montaje de cables y todo lo que lleva KR es una placa base tradicional o placa base ortogonal. Puedes compararlos con un canal que estés diseñando o simplemente comprobar cómo han evolucionado los niveles de rendimiento. Voy a usarlos ahora para mostrar un ejemplo de un perfil de impedancia y cómo interpretarlo.

El primer canal que quiero mostrar es una medición de una placa base donada por TE Connectivity. Puedes verlo aquí.

Voy a seguir el procedimiento para cargar los parámetros S en SI Studio y trazar la impedancia. Para cargar los parámetros S en la herramienta, hacer clic en el pequeño icono de carpeta situado en la parte izquierda del panel de control de la GUI. Te indicará que elijas un archivo Touchstone. Los archivos Touchstone contienen parámetros S y poseen extensiones de archivo que comienzan con la letra S y acaban en la letra P, con una cifra entre ambas. Esa cifra es el número de puerto en el archivo Touchstone, y puedes considerar un puerto como un lugar donde podrías situar un medidor de potencia de ancho de banda imaginario si existiese. El archivo Touchstone que estoy usando es TEC_Whisper27in_THRU_G14G15.s4p. Este sistema es diferencial, y los parámetros S necesitan convertirse de terminación única a diferencial para ver la impedancia diferencial. Para hacerlo en SI Studio, haz clic en el botón «convert» (convertir) situado a la derecha del icono de la carpeta en medio del panel de control de la GUI. Aparecerá una ventana emergente donde se pide el mapa de puerto del archivo. En este archivo el puerto 1 se conecta al puerto 2, y el puerto 3 se conecta al puerto 4. Para pasar esta información a la ventana emergente, pon los números a la izquierda 1, 3, 2 y 4 de arriba abajo. A continuación haz clic sobre Aplicar y cierra la ventana emergente. Los parámetros S de reflexión se muestran como «SD1D1». Desmarca el resto de las casillas y cambia los parámetros de reflexión a impedancia haciendo clic en «dB» y seleccionado «Z». ¡Y ya está!

Para obtener la mejor vista de la impedancia del canal, selecciona «single grid» (cuadrícula simple) del menú desplegable en la barra de herramientas, configura el centro horizontal a 3 ns, la escala horizontal a 0,6 ns, el centro vertical a 100ᘯ, y la escala vertical a 5ᘯ. El resultado final se muestra más abajo con referencias a todos los aspectos anteriormente indicados. 

Teledyne LeCroy Signal Integrity Studio interface with TE Connectivity’s backplane loaded and important controls highlighted

Figura 1. Parámetros de impedancia diferencial de la placa base de TE Connectivity

Ahora que tienes delante la impedancia, ¿qué muestra? 

Una impedancia sin ninguna reflexión será de 100 ohmios durante todo el tiempo disponible. Cualquier cambio en el perfil de impedancia es una reflexión. Como puedes ver, hay varios lugares en los que hay reflexiones importantes donde la impedancia desciende. También hay segmentos entre estos niveles bajos que parecen ascender gradualmente. 

Los descensos son medios de transición. Comenzando desde la izquierda, el primer descenso es el conector coaxial. El segundo es un conector acoplado. El tercero es otro conector acoplado. Los medios de transición como los conectores y las vías son casi siempre descensos en el perfil de impedancia. Así que si ves descensos, probablemente estés viendo una vía o un conector. 

Un error habitual es pensar automáticamente que la baja impedancia de una vía está ocasionada por el diámetro del taladrado. Sin embargo, los descensos desde las vías suelen estar causados por los pads de la vía. Los pads son un mal necesario para un ingeniero de integridad de señales, y los pads siempre causan discontinuidad de la impedancia. Existe la posibilidad de que la impedancia de la vía sea alta. Esto se produce cuando la vía se diseña con el tamaño de taladro manufacturable más pequeño según el grosor de la PCB en lugar de optimizar la vía y el pad por separado. Consulta con tu ingeniero de integridad de la señal más cercano para obtener más información. 

La baja impedancia del conector no puede explicarse tan fácilmente. Los conectores son estructuras complejas que presentan muchas discontinuidades pequeñas y unas pocas grandes. Normalmente las discontinuidades de la impedancia relacionadas con los conectores son impedancias bajas. Esto podría deberse a grumos de soldadura en pads SMT o podría ser la interfaz de acoplamiento. Sin embargo, si el conector no está completamente acoplado existiría una alta impedancia en medio de la impedancia del conector. 

Los segmentos lisos son pistas. Las pistas presentan pequeñas perturbaciones desde el tejido de la fibra y el metal circundante como las vías de sujeción, pero son bastante llanas. La pendiente ascendente de las pistas se debe a la dependencia que la impedancia tiene de la frecuencia. Esto es una indicación de que los parámetros S funcionan bien y son físicos. 

El último parámetro S que me gustaría analizar es una placa base donada por Intel para la última norma Ethernet de IEEE que define 100 Gb/s. Descargarla aquí.

Esta placa base es completamente simulada y contiene una salida BGA (o al menos lo que parece ser una vía). Una salida BGA es donde el dibujo de una PCB pasa de la huella del componente BGA a pistas de PCB. Esto se hace de dos maneras. 

  1. Vía en pad
  2. Hueso de perro

La vía en pad es muy sencilla. Es cuando la vía de la señal se sitúa en el centro del pad de la señal BGA. Muchos diseñadores están en contra de usar vías en pad. El motivo es que la BGA no se acopla a la placa si la vía no se procesa correctamente. Una vía en pad necesita tener sellado de alguna manera todo el orificio de la vía. Esto suele hacerse tapando o rellenando la vía y, a continuación, metalizándola. Está claro que esto cuesta más dinero, otro motivo por el que se suele evitar. No obstante, esta es la mejor opción para la integridad de la señal.

Los huesos de perro son una pista corta desde el pad de la señal BGA a otro pad. Esto da lugar a una forma parecida a la de un hueso de perro. La vía se coloca en el segundo pad, lejos de la bola BGA soldada. Esto elimina la necesidad de tapar y rellenar las vías y es la opción menos cara. Esta opción es más difícil de controlar para la integridad de la señal. La transición del pad BGA al pad de la vía crea una alta impedancia. Esta impedancia es notablemente alta en casi todas las situaciones porque directamente debajo de la pista no suele haber un plano de referencia. 

A BGA footprint illustrating both via-in-pad connections and dog-bone connections

Cómo leer los perfiles de impedancia de un circuito impreso de alta velocidad. Figura 2. Ejemplo de una salida vía en pad y hueso de perro

Si miramos el modelo de Intel (Cable_BKP_24dB_0p995m_more_isi_thru1.s4p), existe un alto nivel de impedancia al principio, donde se espera que esté la salida BGA. Como la salida BGA es muy pequeña, es casi imposible indicar si esto procede del diámetro de la vía o si es un hueso de perro. Sin embargo, es posible que se trate de una de estas distribuciones. 

Teledyne LeCroy Signal Integrity Studio interface with Intel’s backplane loaded, showing an impedance dip where the dog-bone connection is present

Figura 3. Parámetros de impedancia diferencial de la placa base de Intel

Aquí lo tienes. Una forma de ver la impedancia y algunos factores que se deben tener en cuenta. En concreto:

  • Las bajas impedancias podrían ser conectores, transiciones de vía desde los pads de vías, o grumos incontrolados de soldadura en los pads SMT.
  • Las altas impedancias podrían deberse a que los taladrados de las vías son demasiado pequeños, a unos conectores parcialmente acoplados o salidas BGA de hueso de perro.
  • Las secciones llanas con un lento ascenso con el paso del tiempo son las pistas de la PCB, y el ascenso de estas pistas es un fenómeno físico que debe estar presente.

¡Esperamos que esto te permita analizar con confianza tu próximo perfil de impedancia!

Obtén más información sobre las herramientas de integridad de la señal para diseñadores de PCB en Altium Designer®. ¿Tienes alguna pregunta o duda? Llama a un experto de Altium

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Jason J Ellison received his Masters of Science in Electrical Engineering from Penn State University in December 2017.
He is employed as a signal integrity engineer and develops high-speed interconnects, lab automation technology, and calibration technology. His interests are signal integrity, power integrity and embedded system design. He also writes technical publications for journals such as “The Signal Integrity Journal”.
Mr. Ellison is an active IEEE member and a DesignCon technical program committee member.

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