Calculadoras de Retardo de Línea de Transmisión en el Diseño de PCB

Las líneas de transmisión son una de esas cosas engañosamente complejas que hacen posible la vida moderna. Lo que parece un simple cable metálico es, de hecho, un sistema ingeniosamente diseñado. Las pistas en los PCBs no son diferentes, y son como los vasos sanguíneos que alimentan tus dispositivos electrónicos.

Entonces, ¿qué es exactamente una línea de transmisión? Este término se adoptó inicialmente para crear la analogía entre las pistas en un PCB y las líneas de energía civiles. El término "línea de transmisión" tiende a usarse sin mucho contexto. No todas las pistas en un PCB son líneas de transmisión, y las reglas de diseño para una línea de transmisión se vuelven importantes en algunos casos.

¿Son Mis Pistas Líneas de Transmisión?

El término "línea de transmisión" se refiere al comportamiento de una pista en un PCB más que a su construcción. Una pista dada puede comportarse como una línea de transmisión bajo algunas condiciones, mientras que se comporta como un simple conductor en otras condiciones.

La respuesta a si tus pistas actúan como líneas de transmisión depende de la cantidad de tiempo que tarda una señal en propagarse a lo largo de la pista. Este tiempo ha sido referido como retraso de línea, retraso de propagación, o retraso de transmisión, y todos estos términos se usan indistintamente.

Si el retraso de línea en tu traza es mucho más largo que el tiempo de subida de una señal digital que viaja por la traza, entonces la traza actuará como una línea de transmisión. Con señales analógicas, el tiempo de subida se considera como un cuarto del período de oscilación de la señal. En ambos casos, las trazas y los componentes en cada extremo necesitan estar adaptados en impedancia para prevenir varios problemas de integridad de señal.

Líneas de transmisión eléctrica

Calculadoras en línea de líneas de transmisión

Si quieres una manera rápida y sencilla de diseñar tus trazas para tener un valor de impedancia específico, puedes usar una calculadora en línea de líneas de transmisión. Esta herramienta puede calcular varios parámetros críticos como la longitud por unidad que describen tus trazas para diferentes arreglos, incluyendo microstrip, microstrip embebido y trazas de stripline.

Algo que comenzarás a notar es que la mayoría de las calculadoras en línea de líneas de transmisión ignoran completamente la dependencia de la impedancia de la línea de transmisión con la frecuencia. En realidad, hay un efecto debido a la frecuencia, y el efecto es más pronunciado dependiendo de la resistencia, capacitancia, inductancia y conductancia en el sistema.

La impedancia que encuentran las señales de baja frecuencia tiende a ser más sensible a los cambios de frecuencia que la impedancia a altas frecuencias. Algunos calculadores en línea de líneas de transmisión no siempre permiten explorar la impedancia a bajas frecuencias y generalmente asumen que estás trabajando a alta frecuencia.

A frecuencias muy altas, como las utilizadas en aplicaciones de RF, esta dependencia de la frecuencia se satura hasta un valor constante. Como tal, la mayoría de los calculadores en línea asumen que estás trabajando a una frecuencia lo suficientemente alta como para que esta dependencia pueda ser ignorada.

Un resultado importante de un calculador de líneas de transmisión es la constante dieléctrica efectiva. Este parámetro depende de las dimensiones del trazo, así como del contraste entre las constantes dieléctricas del conductor y del sustrato. Este parámetro juega el mismo papel que un índice de refracción efectivo en la fibra óptica en el sentido de que determina qué tan rápido se propaga una señal a lo largo de la línea de transmisión.

Es aquí donde los calculadores en línea de líneas de transmisión también son útiles. Una vez que tienes tu constante dieléctrica efectiva, puedes usarla para calcular el retraso de línea en tus trazas. Después de calcular el retraso de línea y compararlo con el tiempo de subida de tu señal, tendrás tu respuesta sobre si tus trazas se están comportando realmente como líneas de transmisión.

Diseño electrónico con una calculadora

Simulaciones SPICE y Líneas de Transmisión

Los simuladores SPICE son útiles para examinar problemas de integridad de señal en PCBs, especialmente en aplicaciones de alta velocidad, alta frecuencia, HDI y baja corriente. No todas las simulaciones SPICE devolverán directamente el valor de impedancia de sus líneas de transmisión; le permitirán diagnosticar problemas de integridad de señal que pueden surgir por desajuste de impedancia entre pistas y componentes. Los paquetes de software de diseño en línea y de escritorio le dan acceso a simulaciones SPICE.

Todas las PCBs tienen cierta capacitancia y inductancia parasitarias debido a la separación de elementos metálicos por el dieléctrico del sustrato. Al trabajar con una simulación SPICE, los efectos de la impedancia parasitaria deben modelarse agregando capacitores e inductores en posiciones en serie y en derivación en su modelo de circuito equivalente.

Una simulación SPICE típica no incluye esto directamente, y tendría que agregar inductores y capacitores en puntos estratégicos para tener en cuenta la reactancia parasitaria. Los simuladores SPICE más avanzados toman esto en cuenta directamente. Su capacitancia e inductancia parasitarias pueden calcularse directamente a partir de la constante dieléctrica del sustrato de la PCB y la disposición de conductores en la placa.

La salida de un buen modelo SPICE es fundamental porque te permite visualizar problemas como el sonido de campana, rebote de tierra, desajuste de señal debido al retraso de propagación e incluso el acoplamiento de ruido. Diagnosticar estos problemas de señal antes de la fabricación puede ayudarte a evitar pedir un lote de placas defectuosas.

Esta salida se muestra generalmente en un gráfico de voltaje (o corriente) versus tiempo. Este tipo de salida te permite comparar las intensidades de las señales de entrada y salida, el retraso de propagación y la integridad de la señal. Cuando trabajas en el dominio de la frecuencia, puedes ver la función de transferencia que define la relación entre las señales de entrada y salida.

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