Enrutamiento de pistas en zigzag vs. enrutamiento en serpentina para una densidad máxima

¿Alguna vez has conducido a través de un sinuoso paso montañoso? Cuando era estudiante, había una carretera secundaria que serpenteaba de un lado a otro mientras ascendías una pequeña montaña. Este estilo de trazado de carreteras también se utiliza para enrutar pistas en las PCB. Este estilo de enrutamiento, llamado enrutamiento en zigzag, se puede utilizar para el emparejamiento de longitudes/emparejamiento de retardos en sustitución de otros estilos de ajuste de la longitud o junto con ellos.

Con todos los diferentes estilos de ajuste y enrutamiento de longitud disponibles en las herramientas de diseño de PCB, puede que no resulte evidente cuándo optar por el enrutamiento en zigzag en lugar de otros estilos de ajuste de la longitud. De hecho, algunos fabricantes de componentes recomiendan explícitamente el uso de enrutamientos en zigzag o de trombón con sus componentes. Echemos un vistazo a los estilos de enrutamiento y diseño en zigzag y a algunas de las ventajas que ofrecen.

¿Qué es el enrutamiento en zigzag?

El enrutamiento en zigzag es un estilo de diseño y ajuste de la longitud de la pista de la PCB que incorpora una serie de giros en U en la pista a medida que se enruta hacia su destino. El enrutamiento en zigzag a veces se denomina enrutamiento de acordeón o enrutamiento de trombón. A veces también se utiliza indistintamente con el enrutamiento en serpentina. Si se observan algunos estilos de enrutamiento en zigzag, se verán algunos patrones de pistas interesantes de ida y vuelta que no se parecen a los típicos estilos de enrutamiento de trombón o serpentina.

El sustituto más cercano del enrutamiento en zigzag es el típico estilo de enrutamiento en serpentina, en el que las pistas serpentean transversalmente (perpendicularmente) a la dirección de la pista. En el enrutamiento en zigzag, las vueltas en U sucesivas se utilizan para hacer serpentear la longitud de la pista en la dirección longitudinal, en lugar de en la dirección transversal, como es el caso del enrutamiento en serpentina. Las herramientas CAD de alta calidad te permitirán utilizar cualquier estilo de enrutamiento para aumentar la densidad de las pistas o para hacer ajustes de retardo o longitud en redes de señales paralelas.

Cada estilo de enrutamiento ofrece diferentes ventajas en cuanto al acoplamiento, la densidad de las pistas y la integridad de señal. En el caso de las placas muy complejas, no es raro encontrar una mezcla de estilos de enrutamiento, serpentina, trombón y zigzag, en un esfuerzo por acomodar las pistas en el menor espacio posible. La siguiente imagen muestra una mezcla de estos diferentes estilos de enrutamiento para una interfaz de memoria LPDDR3.

Cuando usar el enrutamiento en zigzag vs. el enrutamiento en serpentina

Si consultas ciertas notas de aplicación o determinadas reglas de diseño para diferentes componentes, puede que te encuentres con pautas para dimensionar un patrón de enrutamiento en zigzag. Algunas de estas notas de aplicación indicarán explícitamente que debes utilizar el enrutamiento en zigzag, en lugar de algún otro estilo de ajuste de longitud, para garantizar el emparejamiento de las longitudes y los retardos en el receptor para pares diferenciales o a través de una interfaz paralela.

Ventajas del enrutamiento en zigzag

Una ventaja principal del enrutamiento en zigzag, en comparación con el enrutamiento en serpentina, es que permite compensar el sesgo con un ajuste de la longitud requerida más corto. La siguiente imagen de ejemplo muestra patrones de enrutamiento en serpentina y en zigzag con longitudes iguales. Estos dos patrones están diseñados para compensar la misma cantidad de sesgo y, al mismo tiempo, garantizar la densidad máxima de enrutamiento mediante el escalonado de los segmentos a longitudes idénticas. El patrón en zigzag requiere una longitud total más corta que el patrón en serpentina para un determinado nivel de exigencia de compensación del sesgo.

Para buses paralelos de longitud iguales, generalmente utilizarás una mezcla de los dos enfoques para mantener el área de enrutamiento general para el bus razonablemente pequeña, tal como en el enrutamiento de interfaz paralela que se muestra arriba.

Desventajas del enrutamiento en zigzag en pares diferenciales

Ten en cuenta que el enrutamiento en zigzag no siempre es la mejor opción para los pares diferenciales, especialmente cuando los pares están estrechamente espaciados y la referencia de tierra está más lejos en un dieléctrico más grueso. Si bien puedes mantener más la longitud total de la ruta, cada sección utilizada para emparejar la longitud aplica una discontinuidad de impedancia y la magnitud de la discontinuidad depende del espaciado entre las secciones rectas del par diferencial. Dentro de la sección de longitud ajustada, la impedancia de modo impar en esa sección será ligeramente más alta que en las secciones con un espaciado más estrecho.

He discutido las razones de la desviación de la impedancia del modo impar en este artículo.

También existe un problema de conversión de modo, que ocurre cada vez que existe una asimetría a lo largo de un par diferencial. Dentro de la región en zigzag, el acoplamiento requerido cambia entre el modo diferencial y el modo común a medida que la señal atraviesa la región en zigzag. La conversión del modo hace que algunos ruidos del modo común aparezcan como ruidos del modo diferencial en el receptor y esta cantidad de conversión aumenta en frecuencias más altas.

Si se induce algún ruido en la región en zigzag, es posible que no aparezca como ruido de modo común en el receptor. Incluso en el caso en que las regiones en zigzag no estén escalonadas, es difícil mantener un acoplamiento estrecho a menos que las regiones en zigzag estén estrechamente enrutadas y se sigan unas a otras en toda la longitud del par. El uso de un esquema de ajuste de la longitud de la serpentina para hacer coincidir las pistas en un par diferencial es una mejor opción que la serpentina, a menos que el espacio disponible a lo largo de la ruta suponga un problema. Sacrificarás la densidad a cambio de una mayor supresión de ruido de modo común y menos conversión de modo.

En general, mantén el ajuste de longitud al mínimo

Para resumir brevemente, hay dos razones para mantener cortas las secciones de ajuste de la longitud siempre que sea posible:

1. Para mantener una impedancia constante en toda la longitud.
2. Para evitar la conversión de modo.

Estos efectos se pueden ver en el dominio del tiempo mediante reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) o en los resultados de la simulación. Cualquier calculadora de campos que funcione directamente desde los datos de diseño puede mostrarte este efecto. En una pista de TDR, se puede observar una discontinuidad de impedancia capacitiva en la estructura, debido a los reflejos. Disminuir el espaciado entre cada sección de giro aumentará esta discontinuidad de impedancia capacitiva. Este punto, así como la distorsión producida en los giros, debería ilustrar la naturaleza compleja de estas estructuras y los diversos compromisos en que se incurre con el enrutamiento en zigzag:

• Las estructuras de retardo más cortas reducen la distorsión, pero hay una mayor discontinuidad en la impedancia cuando los pasos entre cada vuelta en U son más pequeños.
• Una estructura de retardo puede hacerse más larga con un espaciado menor para reducir una discontinuidad de impedancia, pero puede haber cierto nivel de distorsión.

Evidentemente, estos factores compiten con la necesidad de reducir el sesgo y garantizar el emparejamiento de la oscilación de la señal. Podría aparecer un sesgo adicional entre las dos pistas de un par diferencial, pero, con un ajuste estrecho de la longitud, podrás garantizar que el enlace aún sobreviva a este sesgo adicional.

Diafonía en estructuras en zigzag de un solo extremo

Obviamente, tanto los estilos de enrutamiento en serpentina como en zigzag incluyen la misma estructura de vuelta en U y la región de ajuste de la longitud puede actuar como un área de acoplamiento para la diafonía de extremo cercano (NEXT) o la diafonía de extremo lejano (FEXT) cuando una señal rápida entra en la estructura de retardo. NEXT tiene una región de acople limitada tanto en microstrips como en líneas de banda (striplines), pero, en ambos casos, aplicar una estructura de ajuste de longitud puede reducir la distancia entre las dos redes. El resultado es una fuerte diafonía en esa área. Si la señal es lo suficientemente rápida y si la región de acoplamiento es lo suficientemente larga, el acoplamiento podría producir una diafonía máxima en esa región.

Esta es otra razón por la que es mejor enrutar pares diferenciales sobre dieléctricos más delgados con una referencia de tierra en la capa adyacente. Aunque técnicamente se puede enrutar un par diferencial por encima de una región sin tierra siempre que los pares estén poco espaciados, el plano de tierra proporciona una función importante de reducción de la inductancia de la pista y, por lo tanto, de la porción de diafonía con acoplamiento inductivo. Esto se aplica en cualquier tipo de estructura enrutada (en zigzag o en serpentina).

Las herramientas de enrutamiento y diafonía de Altium Designer® son un excelente conjunto de funcionalidades para implantar el enrutamiento en zigzag y examinar cualquier efecto de NEXT en tus diseños en zigzag. Las funciones de ajuste de longitud basadas en el tiempo son ideales para emparejar los retardos de múltiples señales y garantizar que permanezcan sincronizadas en toda la placa. También tendrás acceso a un poderoso conjunto de herramientas de diseño de diagramas esquemáticos, funciones de CAD y herramientas de planificación de la producción.

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