Principios de Integridad de Señal basados en Altium Designer 24

Introducción a la Alta Velocidad y la Integridad de Señal

Los sistemas digitales son una de las áreas fundamentales de la electrónica moderna. El avance en procesadores altamente eficientes u otros sistemas digitales, como FPGAs o sistemas de adquisición de datos de amplio ancho de banda que utilizan convertidores ADC rápidos junto con DSPs o FPGAs, requiere un enfoque diferente al diseño electrónico, especialmente en PCB que incluye interconexiones entre varios circuitos integrados o módulos. Este enfoque está relacionado con los tipos de señales utilizadas en la electrónica de alta velocidad moderna.

Interfaces básicas y bien conocidas, como RS232 o I2C, están limitadas en el rendimiento de datos a cientos de kilobits por segundo, sin embargo, las interconexiones entre sistemas o módulos de alta velocidad a través de interfaces como PCIe o USB3.0 pueden tener tasas de datos por encima de gigabits por segundo (y de ahí el término sistemas de alta velocidad o diseño de alta velocidad).

Además, la mayoría de las interconexiones modernas de alta tasa de datos utilizan señalización serial con solo unas pocas líneas de señal. Una de estas líneas seriales se muestra en la figura 1. Algunos estándares requieren múltiples líneas y en la mayoría de los casos esas líneas se hacen como un par diferencial. Un buen ejemplo de tales estándares son PCIe o JESD204.

Figura 1: Enlace de alta tasa de datos serial; por favor, note que la coincidencia de impedancia del transmisor, receptor y línea de transmisión es fundamental para la integridad de señal

Los principios de los diseños de alta velocidad son similares a los diseños de frecuencia de radio ya que existe una relación directa entre la tasa de datos de la señal y el ancho de banda ocupado por esta señal: cuanto mayor es la tasa de datos, más amplio es el ancho de banda ocupado por dicha señal. Además, el tiempo de subida y bajada de las señales de alta velocidad suele ser inferior a 1ns, a menudo con frecuencias de conmutación superiores a unos pocos GHz. Dichas señales se propagan a través del PCB de una manera diferente que las señales utilizadas en estándares de baja velocidad, como SPI, I2C o RS232. Se requiere una atención significativa para diseñar el PCB correctamente, teniendo en cuenta el ancho de banda de la señal, de modo que se mantenga la fidelidad del enlace de datos desde el transmisor (por ejemplo, la interfaz JESD204B de un ADC) hasta el receptor (por ejemplo, pines de entrada de un FPGA). Más a menudo, el estándar LVDS (señalización diferencial de bajo voltaje) se utiliza para interconectar módulos o sistemas de alta tasa de datos, así como para proporcionar una especificación estandarizada para señales de alta velocidad (por ejemplo, oscilaciones de voltaje, niveles lógicos, impedancias y más).

La naturaleza de las señales de alta velocidad requiere diferentes herramientas de diseño para el PCB y los esquemáticos para asegurar la alta fidelidad del enlace y las señales transmitidas en el PCB (junto con la reducción del tiempo dedicado al diseño). La alta fidelidad de la señal relacionada con las características de calidad se llama integridad de la señal, que consiste en una serie de parámetros de la señal transmitida que pueden ser verificados durante el desarrollo del PCB/SCH así como en el laboratorio mediante mediciones de señal con herramientas dedicadas.

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Altium Designer soporta todas las actividades relacionadas con proyectos de alta velocidad y proporciona medios de control sobre la integridad de la señal al ofrecer una serie de características, por ejemplo:

• posibilidad de definir pares diferenciales en los esquemáticos y el PCB;
• enrutamiento de los pares diferenciales en el editor de PCB con coincidencia de longitud;
• definición de pistas de impedancia controlada para líneas de señal diferencial y de extremo único;
• ajuste de la longitud de las líneas de señal dentro de un par diferencial así como dentro de un bus;
• herramientas de simulación y verificación de DRC para la integridad de la señal y alta velocidad;
• posibilidad de definir el apilado del PCB con perfiles de impedancia que incluyen factor de disipación, constante dieléctrica y rugosidad del cobre;
• posibilidad de definir retrasos de propagación para componentes

y más.

Estas características ayudan a mitigar los errores de diseño relacionados con la integridad de la señal, proporcionan flexibilidad en la fase de diseño, reducen los costos de prototipado y aceleran la entrega del producto al mercado.

Integridad de la Señal

La degradación de la señal mencionada en el primer párrafo puede tomar diversas formas y referirse a valores relacionados con el tiempo de la señal (como el tiempo de subida o el jitter) o parámetros relacionados con el nivel de la señal (por ejemplo, overshoot, oscilación de voltaje). Los parámetros básicos relacionados con la fidelidad de la señal incluyen los siguientes fenómenos:

• reflexiones de señal entre el transmisor de señal y la línea de transmisión (o el receptor y la línea de transmisión), así como reflexiones de señal causadas por conectores, vías, ramificaciones u otros componentes del sistema que distorsionan la continuidad de la impedancia a lo largo del camino de la señal;
• diafonía entre líneas de señal;
• sobrepaso y caída por debajo del nivel de señal;
• degradación en la relación señal a ruido (causada por el ruido acoplado), causando dificultades para que el receptor detecte los niveles lógicos correctos;
• atenuación de la señal a lo largo del camino de la señal - incapacidad para alcanzar los niveles lógicos requeridos;
• jitter en la señal de reloj que establece la operación de los convertidores ADC/DAC así como el jitter de las líneas de señal;
• niveles aumentados de emisión radiada desde el PCB (o el sistema) que pueden requerir varias contramedidas (por ejemplo, blindaje) para pasar la certificación EMC

y más.

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Cada uno de los fenómenos enumerados anteriormente puede llevar a un aumento en la tasa de error de datos o la pérdida completa de comunicación. Además, puede ocurrir un deterioro de los parámetros del sistema (por ejemplo, la calidad del procesamiento de señales a través de convertidores ADC de alta resolución). Ejemplos de perturbaciones de señal relacionadas con un diseño deficiente se muestran en oscilogramas y simulaciones realizadas en AD24 - ver figuras 2 a 5.

Figura 2: Pulsos cortos causados por una terminación de señal inadecuada a lo largo del camino de la señal

Figura 3: Ejemplo de diafonía - traza púrpura - agresor, traza amarilla - víctima

Figura 4: Sobrepaso y subpaso de la forma de onda digital

Figura 5: Ejemplo de resonancia de señal. Resultado de la simulación de integridad de señal realizada en AD24

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Figura 6: Optimización en la resonancia de señal - barrido del resistor de terminación en serie

Señales de Extremo Simple y Diferenciales

Señales de baja velocidad como SPI, I2C o RS232, donde la información se transmite como la diferencia de voltaje entre la línea de señal y tierra, se denominan señales de extremo simple. Las señales de alta velocidad, con tasas de datos que superan los varios cientos de Mbits/s, suelen transmitirse por el par diferencial - un par de trazas de señal estrechamente acopladas en el PCB - la información en este caso es llevada por la diferencia de voltaje entre estas dos líneas (a menudo referidas como P y N) - ver figura 7 y 8.

Figura 7: Pares diferenciales del controlador Ethernet definidos en AD24

Figura 8: Par diferencial representado en el PCB

Las señales diferenciales son menos susceptibles a perturbaciones y fluctuaciones en el potencial de tierra en el PCB porque una perturbación se induce en ambas líneas que forman un par diferencial, así la señal diferencial (diferencia entre una línea y la otra) no se distorsiona. Este tipo de señalización ayuda a minimizar problemas relacionados con el rebote de tierra en el sistema y mejora los parámetros de calidad de las señales de alta velocidad. Ejemplos de señales diferenciales y de extremo único se muestran en la figura 9.

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Figura 9: Señales de Extremo Único y Diferenciales

Conclusiones

La correcta implementación de principios de alta velocidad en el proyecto para asegurar la integridad de las señales en el PCB requiere atención desde el inicio de la etapa de diseño - comenzando desde el apilado del PCB, definición de los pares diferenciales o de extremo único con impedancias correctas, estrategias de enrutamiento así como la disposición de los componentes en el PCB, por ejemplo, la ubicación de la memoria DDR y la con respecto al MCU o FPGA.

Además, aspectos importantes relacionados con la calidad de las señales de alta velocidad incluyen el tipo y cantidad de vías a lo largo de los caminos de señal, los stubs de señal, conectores y el método de conectar trazas de señal a ellos.

La verificación de un PCB fabricado con señalización de alta velocidad se puede realizar mediante simulación, lo que permite detectar problemas potenciales antes de ordenarlo. Criterios de integridad de señal como sobrepico, subpico, reflexión o diafonía pueden definirse en Altium Designer en las reglas de diseño. Esto ayuda a mantener la integridad de la señal bajo control.

Nuestra próxima extensión, Signal Analyzer de Keysight, mejorará aún más el potencial de tu proceso de diseño, especialmente cuando se enfoca en el análisis de integridad de señal. El estreno de esta extensión está programado para mediados de octubre de 2024.