¿Qué es la integridad de señal?

Muchas de las pautas de disposición y trazado de pistas para PCB que se utilizan hoy en día, incluso para señales y dispositivos de velocidad moderada, tienen como objetivo garantizar la integridad de señal. Si eres un recién llegado al diseño de placas de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés) y nunca has tenido problemas de integridad de la señal, el concepto de garantizar dicha integridad en un diseño puede parecer un poco esotérico. Las PCB modernas pueden experimentar muchos problemas que pueden resolverse o evitarse con algunas prácticas sencillas de disposición. Las prácticas que se refieren a la integridad de señal se centran en identificar y solucionar estos problemas en una disposición de PCB, de manera que una señal digital o analógica no se distorsione durante la propagación y se pueda recuperar durante su recorrido de una interconexión.

En esta guía, queremos dar una breve visión general de algunos problemas de integridad de señal que pueden surgir en una disposición de PCB, así como algunas de las soluciones básicas para ayudar a resolver estos problemas. Si se ponen en práctica algunas de estas prácticas básicas al principio de la fase de diseño, será mucho más fácil garantizar la integridad de señal una vez que la placa esté enrutada.

• Aspectos básicos de integridad de la señal
• La importancia de la impedancia y el trazado de pistas
• Identificar problemas de integridad de la señal

Aspectos básicos de integridad de señal

En el sentido más simple posible, el objetivo de la aplicación de prácticas de integridad de señal en la disposición y trazado de pistas de la PCB es garantizar que una señal no se degrade cuando se transfiera de un componente transmisor a uno receptor. En otras palabras, queremos asegurarnos de que la señal que aparece al final de una interconexión coincide con la señal que se introdujo al principio de la misma. Aunque una señal no experimentará realmente ninguna distorsión, algunas prácticas básicas pueden ayudar a minimizar cualquier posible distorsión de la señal de manera que el componente receptor siempre registre la señal correcta.

Hay algunas prácticas de diseño estándar que ayudan a garantizar este comportamiento, que comienzan durante la captura del esquema y el diseño del apilamiento de capas. De hecho, muchos problemas de integridad de la señal, integridad de la potencia e IEM/CEM se pueden resolver con un adecuado diseño de apilamiento y asignación de capas para potencia, tierra y enrutamiento. Otras soluciones simples implican la selección adecuada de condensadores, el cálculo de impedancias y la comprensión de los límites de las pistas de salida simple frente a las diferenciales.

¿Cuándo hay que preocuparse por la integridad de señal?

Técnicamente, es posible que cualquier diseño tenga algunos problemas con la integridad de la señal, pero generalmente no interfieren con la funcionalidad de un producto ni crean ruido excesivo mientras no se trabaja con señales digitales de alta velocidad o diseños analógicos de alta frecuencia. En estos casos, hay varios problemas que se deben tener en cuenta:

• Cálculos precisos de la impedancia para evitar reflexiones de la señal
• Pérdidas y dispersión durante la propagación en interconexiones largas
• Diafonía causada por señales digitales de conmutación rápida
• Pérdidas excesivas por radiación, que pueden aparecer como un fuerte ruido en las pruebas de EMC
• Sobreimpulso y subimpulso en las señales digitales debido al exceso de inductancia (rebote de tierra)
• Acoplamiento de señales de alta frecuencia a través de características parásitas
• Sesgo y pérdida de la señal de resonancia debido a la trama de la fibra
• Fluctuación -jitter-, ya sea debido a las fluctuaciones de transiciones de flanco aleatorias o a problemas de SI/PI/IEM
• Pérdidas adicionales debidas a la rugosidad del cobre a lo largo de una interconexión

Estas son más difíciles de resolver cuando se opera a altas frecuencias o a velocidades de conmutación más rápidas como las utilizadas en placas digitales de alta velocidad. Sin embargo, para garantizar que un diseño no falle debido a estos problemas, hay algunas sencillas prácticas de diseño que se pueden implementar para garantizar la integridad de la señal.

Empieza por el stackup

Una parte importante de garantizar la integridad de la señal es definir la tierra claramente, y mantenerla cerca de las pistas importantes durante el trazado. En un stackup (o apilamiento) correctamente diseñado, la selección de los planos de potencia y de tierra y la designación de las capas de señal ayudarán a resolver la mayoría de los problemas de EMI y de integridad de la señal. También hay un efecto importante y beneficioso en la integridad de la potencia cuando los stackups están correctamente diseñados.

En el siguiente apilamiento se muestra una disposición típica que involucra las capas de señal, potencia y tierra alternas. En este ejemplo, el diseño utiliza capas de tierra adyacentes a las capas de señal para proporcionar protección, una ruta de retorno de baja impedancia y la capacidad de definir líneas de impedancia controladas (striplines o microstrips). Proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia con una impedancia de pista bien definida y tierra cerca de las señales ayuda a evitar reflejos, reduce la radiación y la recepción de EMI y proporciona protección contra señales en diferentes capas.

Es bien sabido que el espesor de la capa para microstrips, striplines o disposiciones coplanares influirá en las pérdidas en las señales digitales o analógicas. La elección acertada de espesor del dieléctrico en las capas de señal que deben admitir señales de alta velocidad/alta frecuencia soluciona uno de los aspectos de las pérdidas mencionados anteriormente. Asimismo, la selección de los materiales adecuados y de los materiales de chapado para las pistas expuestas puede representar menores pérdidas a altas frecuencias, como en los diseños de ondas milimétricas que requieren una integridad precisa de la señal. En conjunto, estos pasos pueden ayudar a garantizar que las señales tengan pérdidas reducidas cuando se enrutan hacia el final de una interconexión.

• Más información sobre el diseño de pistas para un enrutamiento con impedancia controlada
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La importancia de la impedancia y el trazado de pistas

Una vez determinado el apilamiento y colocados los componentes importantes, el diseño se completa con el trazado de las pistas. Los estándares de transmisión de señales utilizados en las interfaces digitales y en las señales analógicas de alta frecuencia especifican los requisitos de impedancia que deben cumplirse para garantizar la integridad de la señal y evitar problemas en los canales de alta velocidad. Durante el enrutamiento, se debe prestar mucha atención a algunas cualidades geométricas importantes de las pistas de las PCB:

• Impedancia diferencial y de salida simple
• Coherencia en las tolerancias de espaciado y coincidencia de longitud de los pares diferenciales
• Garantizar una trayectoria de retorno ajustada a lo largo de una ruta con vías con conexión a tierra y planos uniformes
• Minimizar transiciones y curvaturas excesivas de vías a altas frecuencias (decenas de GHz)
• Eliminar stubs de las vías en las rutas de mayor velocidad/frecuencia

Los dos primeros puntos están pensados para garantizar que la impedancia a lo largo de una ruta no se desvíe del valor de diseño especificado en la norma de señalización correspondiente. El tercer punto aborda la EMI y el acoplamiento de ruido garantizando que la corriente de retorno generada por las señales de alta velocidad/alta frecuencia tenga una baja inductancia. Los dos últimos puntos abordan la necesidad de eliminar las pérdidas y reflexiones en cualquier discontinuidad de impedancia a lo largo de una ruta. Elementos como conectores y vías pueden tener impedancias de entrada que se desvían del valor requerido, por lo que se utilizan reglas de diseño para ayudar a garantizar que estos objetivos se cumplan en el diseño.

Las herramientas de enrutamiento de tu software de diseño de PCB pueden tomar tus requisitos de enrutamiento y codificarlos como reglas de diseño para ayudar a garantizar que cumplas con tus objetivos de impedancia, espaciado, recuento de vías y ruta de retorno. La aplicación de perforación posterior (backdrilling) representa una compensación de costes frente a la integridad de la señal, por lo que solo debería aplicarse en las señales digitales más rápidas, y únicamente si no se puede implementar algún esquema de enrutamiento alternativo para eliminar la necesidad de perforación posterior. En total, estas medidas pueden abordar los problemas que surgen de las reflexiones, como interferencias entre símbolos en un diagrama de ojo y ondas estacionarias en líneas de transmisión no coincidentes.

Identificar problemas de integridad de señal

Los problemas de integridad de señal deben identificarse en simulaciones o en mediciones. Lo ideal es llevar a cabo las simulaciones durante el proceso de diseño para ayudar a identificar cualquier problema de integridad de la señal antes de crear prototipos. Una práctica habitual es crear placas de prueba para un diseño, de modo que se puedan realizar mediciones antes de que el diseño se lleve a producción a gran escala. Independientemente de cómo tengas pensado identificar los problemas de integridad de señal, estas tareas deben completarse antes de escalar un diseño a un alto volumen de producción.

Simulaciones durante el trazado de pistas

Durante la fase de diseño, se pueden utilizar algunos de los paquetes ECAD más avanzados para identificar problemas de integridad de la señal en algunas simulaciones simples. Dos simulaciones estándar que se pueden realizar juntas son los cálculos de la forma de onda de diafonía y las formas de onda de sobreoscilación (ringing)/reflexión. Ambas simulaciones requieren definir la familia lógica del componente transmisor de la disposición de la PCB, que puede encontrarse en las hojas de datos. Estas simulaciones dan una visión muy clara de la eficacia de las terminaciones y el espaciado entre interconexiones, que se pueden ver en la respuesta transitoria de una interconexión (ver a continuación).

Otros puntos para comprobar durante el trazado de pistas son:

• Sobreimpulso y subimpulso
• Tiempo de crecimiento/caída durante la conmutación
• Sesgo en buses paralelos y pares diferenciales
• Continuidad de la ruta de retorno

Estos puntos pueden comprobarse con tus herramientas de simulación en línea en paquetes ECAD avanzados para el diseño de PCB. Una vez que el diseño está enrutado, una herramienta de simulación de la aplicación puede calcular estos puntos para garantizar que las señales en cada interconexión se encuentren dentro de los márgenes de ruido y tengan la respuesta requerida según se ve en el componente receptor. Al identificar estos problemas al principio del proceso de diseño, muchos problemas de integridad de señal pueden resolverse pronto, lo que idealmente elimina los cambios de diseño complejos y que requieren mucho tiempo.

Pruebas de integridad de señal

Aunque hay varias pruebas que se pueden realizar para evaluar la integridad de la señal, dos de las más importantes para los diseños digitales son las mediciones del parámetro S con un analizador de red vectorial (VNA) y las pruebas de diagrama de ojo con una corriente de bits de prueba estándar. El equivalente del dominio del tiempo para una medición de parámetro S es una medición de reflectometría de dominio de tiempo, que requiere un instrumento especial para suministrar un pulso a una interconexión o dispositivo en pruebas. Aunque los diagramas de ojo y los cálculos de la tasa de error binario (BER por sus siglas en inglés) se realizan normalmente con un osciloscopio, algunos VNA pueden generar diagramas de ojo.

Las mediciones del diagrama de ojo y las tasas de error binario extraídas son fundamentales para la evaluación de los canales digitales. Proporcionan una medición sumativa que permite cuantificar la fluctuación, el ISI debido a reflejos de señal, las pérdidas y la necesidad de compensación mediante ecualización. A partir de estas medidas se pueden identificar algunos cambios simples de diseño, y las métricas de integridad de señal extraídas se pueden comparar con otras simulaciones o cálculos. 

Los parámetros S, así como otras simulaciones o mediciones de parámetros de red, pertenecen al dominio de la frecuencia. Permiten calificar un diseño en términos de la máxima velocidad de datos posible, la frecuencia de transmisión, las pérdidas o las reflexiones debidas a desacoplamientos de impedancia. En el caso de interconexiones largas, la magnitud más importante es S21 o pérdida de inserción, ya que estos canales están dominados por las pérdidas dieléctricas, de cobre y de radiación. En los canales cortos, la magnitud más importante es S11 o pérdida de retorno, ya que existe la posibilidad de pronunciados reflejos y resonancia en los canales de longitud corta a moderada.

Simulaciones más complejas para SI, PI y EMI/EMC

Una vez que una disposición se ha completado y está lista para su aprobación, es necesario someter el diseño a una herramienta de simulación más avanzada que pueda observar todo el sistema, en lugar de examinar solo las interconexiones individuales. Estos paquetes de simulación toman datos de la disposición de la PCB terminada y calculan el campo electromagnético directamente a partir de las ecuaciones de Maxwell. Los formatos de archivo mecánico estándar (IDX) y los formatos de archivo de simulación especializados se pueden utilizar para importar datos de diseño en programas de simulación externos, lo que permite identificar los problemas de EMI/EMC, PI y SI en el nivel de sistema antes de la creación de prototipos y la producción.

• Más información sobre el uso de simulaciones para identificar EMI de campo cercano
• Más información sobre cómo compartir tus datos de simulación a través de la nube

El enrutamiento de PCB es mucho más fácil cuando se utiliza el conjunto completo de herramientas de disposición de PCB de Altium Designer®. El motor de reglas de diseño integrado en Altium Designer comprueba automáticamente el enrutamiento a medida que sitúas las pistas, lo que permite detectar y eliminar errores antes de terminar la placa. Todos los usuarios de Altium Designer tienen acceso a un espacio de trabajo dedicado en Altium 365™, en el que se pueden almacenar y compartir con los colaboradores los proyectos, los datos de los componentes, los datos de fabricación o cualquier otra documentación del proyecto.

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