Técnicas de terminación de líneas de transmisión en el diseño de alta velocidad

Una línea de transmisión es un par de conductores utilizados para suministrar energía en forma de campo electromagnético. La mayoría de nosotros estamos familiarizados con los cables que llegan a nuestras casas para traer la energía necesaria para hacer funcionar luces y electrodomésticos. En el contexto del diseño de PCB, una línea de transmisión es una señal en una capa de señales sobre un plano o entre dos planos.

Técnicas de terminación de líneas de transmisión para el diseño de PCB

El propósito de esta sección es explicar qué son las líneas de transmisión; qué se mueve sobre ellas, cómo se comportan cuando se les envían señales de conmutación y cómo controlar esas señales de conmutación con terminaciones de línea para obtener la mejor calidad de señal. Al final de esta sección hay una lista de materiales de lectura adicional que puede resultar útiles. 

Una parte clave de esta sección y de las siguientes es proporcionar reglas de diseño válidas junto con una prueba de su validez. El autor opina que todas las reglas de diseño deben ir acompañadas de sus demostraciones, así como de sus limitaciones, si las hubiere.

¿Qué es una línea de transmisión?

En su forma más básica, una línea de transmisión es un par de conductores utilizados para suministrar energía en forma de campo electromagnético. La mayoría de nosotros estamos familiarizados con los cables que llegan a nuestras casas para traer la energía necesaria para hacer funcionar luces y electrodomésticos.

En el contexto del diseño de PCB, es una señal en una capa de señales sobre un plano o entre dos planos. La figura 1 ilustra los cuatro tipos de líneas de transmisión que se utilizan normalmente en las PCB. Como se puede observar, hay dos tipos principales; stripline y micro-stripline. La primera es una línea de transmisión entre dos planos y la segunda es una línea de transmisión en la parte superior de un plano. Es importante señalar que la palabra "tierra" no se ha usado para describir los planos. El nombre de CC de un plano no tiene ninguna importancia cuando se habla de campos electromagnéticos.

Figura 1. Tipos de líneas de transmisión de PCB

Se utilizarán varias combinaciones de estas cuatro configuraciones de líneas de transmisión para formar un stackup o apilado de PCB. El control de la diafonía para señales que se yuxtaponen en una capa de señal o se superponen en capas de señal adyacentes, se analizará en la siguiente sección. Además, el cálculo de la impedancia característica se cubrirá en la siguiente sección.

Trabajar en una línea de transmisión con sus diferentes impedancias características puede ser un verdadero dolor de cabeza. Eso sí, con el software de diseño de PCB adecuado, deberías poder controlar la impedancia y la diafonía mediante el cumplimiento estricto de las reglas de diseño inteligente, así como también administrar la acumulación de capas de la PCB con facilidad y soltura. Altium Designer ha tenido esto en cuenta al diseñar un entorno de diseño intuitivo y fácil de usar.

El entorno de diseño unificado de Altium Designer

¿Qué transporta una línea de transmisión?

Para gestionar correctamente una línea de transmisión, es importante saber lo que transporta. Cuando empezamos a estudiar electrónica, se nos enseña sobre el voltaje y la corriente, con el flujo de corriente identificado como la señal. Desafortunadamente, esta visión de señalización es demasiado simplista y si nos centramos únicamente en el flujo de la corriente, la calidad de las señales puede verse comprometida.

La mayoría de nosotros sabemos que las señales eléctricas se mueven a la velocidad de la luz, es decir, a unos 300.000 kilómetros por segundo en el vacío. El flujo de corriente, que es el movimiento de los electrones en un conductor de cobre, se mueve a una velocidad de aproximadamente 2.200 kilómetros por hora. Por lo tanto, la señal no puede ser el flujo de corriente. Es el campo electromagnético. La figura 2 ilustra el aspecto del campo electromagnético alrededor de una línea de transmisión tipo stripline. La línea sale de la página viajando entre dos planos (vista final).

Figura 2. Campo electromagnético alrededor de una línea de transmisión tipo stripline

Fíjate en que hay dos tipos de campos en este dibujo, líneas de campo eléctrico que se extienden entre la línea de transmisión y los dos planos, y líneas de campo magnético que rodean la línea de transmisión. Es el campo magnético el que desplaza electrones en la línea de transmisión que podemos medir con un amperímetro y al que llamamos flujo de corriente. Una corriente igual y opuesta fluye en los dos planos, lo que a menudo llamamos corriente de retorno. La forma en que esta corriente de retorno se divide entre los dos planos es una función de lo cerca que está cada plano de la línea de transmisión.

Saber cómo crear y gestionar campos electromagnéticos es la clave para tener éxito en la electrónica de alta velocidad.

Creación y gestión de campos electromagnéticos en el diseño de PCB

Cada señal eléctrica está diseñada para entregar una forma de onda de voltaje a un receptor. Para ello, la energía en forma de campo electromagnético se crea y se envía en una línea de transmisión al receptor. La figura 3 es una ruta de señal típica con un controlador, un receptor y una línea de transmisión que los conecta.

Cuando hay un desajuste entre las líneas de transmisión y los tipos de terminación de la línea o las cargas, pueden producirse reflexiones de distintos tipos, como las ondas estacionarias. Para lidiar con estas situaciones, el diseñador de placas de circuito impreso tiene que trabajar más, por ejemplo, para determinar los coeficientes de reflexión y la mejor manera de evitar los desajustes.

Para entregar la forma de onda de voltaje de la más alta calidad al receptor, es importante que la señal no se degrade a medida que viaja de la fuente al receptor. La forma más común de degradación son los reflejos de parte de la señal (energía) en los desajustes de impedancia. Idealmente, Zout = Zo = Zload, lo que produce un reflejo igual a cero. La ingeniería de integridad de la señal se esfuerza por cumplir con este requisito mediante el diseño de apilamientos de PCB para alcanzar una impedancia objetivo, y agregando terminaciones de línea para reducir los desajustes.

Figura 3. Ruta de señal típica con fuente, carga y línea de transmisión

Tipos de terminación de la línea de transmisión

Cuando la energía electromagnética enviada a través de una línea de transmisión ha entregado la forma de onda de voltaje al receptor, debe eliminarse del sistema o, de lo contrario, se reflejará ocasionando corrientes transitorias no deseadas que pueden resultar en una falsa activación de cargas a lo largo de la línea o en la destrucción de una entrada si los reflejos son demasiado grandes. El propósito de las terminaciones es eliminar esta energía una vez que se ha entregado la forma de onda de voltaje.

Hay dos tipos de terminación de línea, en serie y en paralelo. La figura 4 ilustra las técnicas de terminación de la línea de transmisión que se pueden utilizar y cómo estas terminaciones se conectan a una línea de transmisión. Las terminaciones en serie se conectan a la red en la salida del controlador. En la siguiente sección se explica cómo esta terminación elimina la energía electromagnética de la línea de transmisión. Las terminaciones en paralelo se conectan al extremo del controlador de una línea de transmisión para eliminar la energía electromagnética a medida que llega al receptor.

Figura 4. Tipos de terminaciones de línea

En la figura 4, observa que hay cuatro tipos de terminaciones de línea ubicados en el extremo del receptor de la línea de transmisión cerca del receptor. Estas son varias formas en las que se han implementado las terminaciones en paralelo. Las ventajas de cada uno se comentarán más adelante. Solo hay una terminación de línea cerca del controlador. Esta es una terminación en serie. La siguiente sección describe cómo controlar las reflexiones. 

Las cuatro opciones para terminaciones paralelas son: CA, diodo, Thevenin y resistencia única a un voltaje de terminación.

Las terminaciones CA tienen su origen en los días del TTL, cuando el tiempo de subida era lo suficientemente rápido como para requerir una terminación en paralelo en el receptor. El TTL no podía soportar la carga de CC de una terminación de 50 ohmios, por lo que se utilizó un condensador para conectar la terminación a la línea de transmisión, lo que le permitía absorber la energía en el flanco de conmutación rápida mientras permanecía desconectado durante las condiciones de estado estacionario. Esto funcionaba siempre que la relación entre el tiempo de subida y la frecuencia de reloj fuera muy grande. A medida que la velocidad de reloj aumentaba, la degradación mostrada en la figura 5 provocaba tal degradación de la señal, que esta ya no era utilizable. La forma de onda roja es la señal que sale del controlador y la forma de onda naranja es la señal que llega al receptor. Claramente, esta es una forma insatisfactoria de terminar en paralelo una línea de transmisión, que nunca debería utilizarse.

Figura 4. Reloj de CA terminado a 66 MHz

Las terminaciones de diodo surgieron cuando los sobreimpulsos, las reflexiones que se elevan por encima del Vdd o se extienden bajo tierra, superaron la tensión nominal de entrada de los receptores. Como se demostrará, este problema puede evitarse utilizando tipos de terminación simples en paralelo o en serie. La terminación con diodo es una forma muy costosa de controlar el sobreimpulso y nunca debe usarse si se emplean las técnicas adecuadas de terminación de líneas de transmisión.

Hay una excepción a esto. El bus PCI requiere terminaciones en serie en las salidas de todos los controladores. Los ingenieros que diseñaban tarjetas complementarias para PC y no entendían esto, omitían las resistencias de terminación en serie para ahorrar costes. Cuando estas tarjetas se conectaban a la placa base de un PC, a menudo se producía un fallo por sobreimpulso. El consorcio que mantiene el estándar del bus PCI no pudo evitar que esto ocurriera y puso un requisito en la especificación de que todas las entradas debían tener diodos en sus entradas para ser compatibles con PCI, lo que resolvió el problema.

Las terminaciones paralelas resistivas son la forma más sencilla de terminar una línea de transmisión. La figura 5 es una ilustración de un bus GTL con una terminación en paralelo. Observa que la resistencia de terminación se conecta a un voltaje de terminal, generalmente etiquetado como Vtt, que es una fuente de alimentación separada de Vdd. Esto significa que un sistema que utiliza terminaciones en paralelo requiere dos fuentes de alimentación capaces de suministrar transitorios de conmutación muy rápidos. Cuando un sistema tiene muchas líneas de transmisión que deben terminarse en paralelo, este coste adicional vale la pena. Cuando solo hay unas pocas líneas que necesitan ser terminadas en paralelo, como las líneas de reloj en algunas configuraciones de DDR, este coste adicional puede ser una carga. Es aquí cuando una terminación de Thevenin resulta útil.

Figura 5. Línea de transmisión GTL terminada en paralelo

Las terminaciones en paralelo Thevenin son un método para crear el equivalente de Vtt y Rt necesarios para terminar en paralelo una línea de transmisión sin requerir una fuente de alimentación separada para Vtt. La figura 6 muestra el método para calcular los valores de resistencia para una red de terminación Thevenin junto con un ejemplo de cálculo.

Figura 6. Método para calcular los valores de la resistencia de terminación Thevenin

Cómo funciona la terminación en serie de las líneas de transmisión

Las líneas de transmisión terminadas en serie son el método principal para conectar dispositivos lógicos CMOS. Entender cómo funcionan estas líneas de transmisión es vital para garantizar que las señales se entreguen correctamente a cada receptor. El funcionamiento de todo esto no es intuitivo y resulta desconcertante para muchos hasta que se explica. Este breve artículo pretende aclarar parte de la confusión.

La figura 7 es un controlador CMOS típico de 5 V con una línea de transmisión de 50 ohmios conectada a un receptor CMOS que es pasivo, lo que significa que simplemente responde a la forma de onda de voltaje presentada en su entrada. (A efectos de esta explicación, los receptores CMOS parecen condensadores muy pequeños que pueden considerarse circuitos abiertos). En este ejemplo, la línea tiene 12 pulgadas, es decir, unos 30 centímetros de largo. En una PCB, la energía viaja aproximadamente a seis pulgadas por nanosegundo, por lo que esta línea tiene aproximadamente dos nanosegundos de largo.

Figura 7. Un típico circuito CMOS de 5 V terminado en serie

La figura 8 es un circuito equivalente para una línea de transmisión como la que se muestra en la figura 7.

Figura 8. Un circuito equivalente para la línea de transmisión de la figura 7

Observa que hay capacitancia, resistencia e inducción distribuidas a lo largo de la longitud de la línea de transmisión. Estos elementos se denominan "parasitarios" y determinan el comportamiento de una línea de transmisión, siendo la relación entre la inductancia por unidad de longitud y la capacitancia por unidad de longitud la que determina la impedancia característica de la línea, como se muestra en la ecuación 2.

"Lo" es inductancia por unidad de longitud y "Co" es capacitancia por unidad de longitud. Estas dos variables se determinan para un tipo determinado de línea de transmisión utilizando una herramienta tal como una calculadora de campos en 2D. Hay muchas calculadoras de campo disponibles como piezas de las herramientas de integridad de la señal.

En casi todos los casos, el valor de R es tan pequeño que se puede ignorar en comparación con L y C. Hasta que las frecuencias implicadas superen un GHz, esta es una suposición

Ecuación 2. Impedancia como función de la capacitancia y la inductancia distribuidas

Cuando el controlador de la figura 7 desea mover el nivel lógico de la línea de transmisión de una lógica 0 a una lógica 1, debe cargar la capacitancia parasitaria distribuida de la línea de transmisión. Esta es la energía primaria consumida por los circuitos lógicos CMOS. Cuando el mismo controlador desea mover el nivel lógico de una lógica 1 a una lógica 0, debe eliminar esa carga.

Consejo: Cuando una señal se envía a lo largo de un cable o línea de transmisión, es energía en forma de campo electromagnético. Esta energía viajará a lo largo de la ruta y se reflejará en los extremos de esta para siempre, a menos que sea absorbida por una resistencia de terminación o se pierda lentamente en la resistencia del conductor. Si los extremos de la ruta son circuitos abiertos, la energía reflejada será de la misma polaridad que la energía incidente. Si los extremos de la ruta están en cortocircuito, la energía reflejada se invertirá.

Cómo se coloca la carga en una línea lógica para moverla de cero a uno

La figura 9 es el circuito equivalente de la figura 7 en el momento en que el controlador comienza a mover la línea lógica de cero a uno. Observa que se ha formado un divisor de voltaje por la combinación de la impedancia de salida del controlador y la terminación en serie en la parte superior y la impedancia de la línea de transmisión en la parte inferior. Cuando la terminación en serie se haya elegido correctamente, la combinación de Zout y Zst será la misma que Zo. En este ejemplo, ambas serán de 50 ohmios y, por lo tanto, el voltaje en la entrada a la línea de transmisión será V/2.

Figura 9. Circuito equivalente de la figura 7 cuando comienza una transición de cero a uno

La figura 10 muestra las formas de onda de voltaje en la entrada de la línea de transmisión y en la entrada del receptor a medida que pasa el tiempo. La forma de onda roja es la entrada a la línea de transmisión y la forma de onda naranja es la entrada al receptor al final de la línea de transmisión. Observa que el nivel de voltaje inmediatamente después de la transición de cero a uno es solo la mitad de Vdd o la mitad de tamaño. Esto se debe al divisor de voltaje mostrado en la figura 9. Este nivel de voltaje a menudo se denomina voltaje de "banco".

Lo que se ha lanzado a la línea de transmisión es energía en forma de campo electromagnético (EM), cuyo componente de voltaje es V/2. Esta energía está cargando la capacitancia parasitaria de la línea de transmisión a un nivel de voltaje de V/2 mientras el campo viaja por la línea de transmisión.

Después de dos nanosegundos (la longitud eléctrica de la línea de transmisión), la línea se ha cargado completamente a V/2 y el campo electromagnético encuentra un circuito abierto en el receptor. Cuando un campo de este tipo se encuentra con un circuito abierto, no se absorbe nada de la energía del campo y se refleja de nuevo con la misma magnitud que tenía en la salida.

En el momento de la reflexión total, el nivel de voltaje al final de la línea es V/2. Dado que la magnitud del voltaje del campo electromagnético es V/2 después de la reflexión total, la amplitud será V. Observa que la forma de onda naranja tiene una amplitud de V tan pronto como llega el campo EM al final de la línea. En el viaje de regreso, la capacitancia parásita de la línea de transmisión se carga hasta V. Una vez que el campo electromagnético regresa al controlador, se encuentra con el circuito equivalente que se muestra en la figura 11.

Figura 10. Formas de onda de voltaje en los dos extremos de la línea de transmisión en la figura 7.

Figura 11. Circuito equivalente del controlador en la figura 7 visto por el campo electromagnético reflejado

Dado que suma de Zout y Zst es de 50 ohmios, la fuente de voltaje es un cortocircuito. Juntos constituyen una terminación en paralelo que tiene el mismo valor que la impedancia característica de la línea. Como resultado, se absorbe toda la energía en el campo electromagnético y el nivel de voltaje en la línea de transmisión se estabiliza en 5 voltios, que es una lógica ideal 1 para este circuito.

Cambiar de una lógica 1 a una lógica 0

Cuando el circuito de la figura 8 cambia de una lógica 1 a una lógica 0, el controlador tiene la tarea de quitar la carga de la capacitancia de línea que se había colocado allí para moverla de una lógica 0 a una lógica 1. Para ello, el nivel del controlador se mueve internamente de 5 V a 0 V. Al igual que con la transición de una lógica 0 a una lógica 1, el circuito equivalente es como el que se muestra en la figura 9, pero ahora, la línea está a 5 V y la impedancia de salida y la resistencia de terminación en serie están conectadas a 0 V. El divisor de voltaje está funcionando como antes.

Como resultado, el voltaje de la línea se mueve a V/2 y la carga se elimina de la capacitancia de la línea a este nivel a medida que la energía se mueve por la línea. (El nivel de voltaje de esta transición es –V/2). Cuando el campo EM llega al final de la línea de transmisión dos nanosegundos después, se encuentra con un circuito abierto y se refleja nuevamente a la línea. El resultado después de la reflexión es que la línea está ahora a 0 V. Dos nanosegundos más tarde, el campo EM llega de nuevo al conductor y se encuentra con el circuito mostrado en la figura 5 y es absorbido. La forma de onda resultante se muestra en la figura 12.

Figura 12. Formas de onda de voltaje en los dos extremos de la línea de transmisión después de cambiar de 1 a 0

Fíjate que la forma de onda de voltaje en el receptor (naranja) es una señal lógica de onda cuadrada, que es precisamente el objetivo de esta ruta de señal. Este método de señalización se conoce como conmutación de "ondas reflejadas" porque el nivel lógico correcto lo crea la onda reflejada a medida que hace su recorrido de ida y vuelta a lo largo de la línea de transmisión. Este es el método de menor consumo de energía de la señalización lógica de alta velocidad, ya que la corriente solo se extrae del sistema de energía mientras se carga la línea. Una vez que la línea se ha cargado completamente a una lógica 1, el consumo de corriente vuelve a cero.

Este es el método de conmutación que se emplea con el bus PCI que viene incorporado en la mayoría de los ordenadores personales.

Además, observa que la forma de onda de tensión en la salida del controlador se encuentra en un estado lógico indeterminado durante un tiempo, que es el retraso de ida y vuelta a lo largo de la línea de transmisión cada vez que se produce la conmutación. Si las cargas se colocan a lo largo de la línea de transmisión, como se hace con el bus PCI, no experimentan una condición de "datos buenos" hasta que la onda reflejada pasa por ellas en el viaje de regreso. Por lo tanto, la sincronización de los datos en estas entradas debe retrasarse hasta que los datos sean buenos en todas las entradas. Así es como se registran los datos en el bus PCI y otros protocolos de bus que dependen de la conmutación de ondas reflejadas.

Editor de impedancias dentro del editor de reglas y restricciones de Altium Designer

¿Qué sucede cuando la impedancia del controlador no coincide con la impedancia de la línea?

El circuito que se muestra en la figura 13 es el mismo que el que se muestra en la figura 7, salvo que la terminación de la serie no se ha insertado en serie con la salida.

Figura 13. Una línea de transmisión CMOS de 5 V no terminada

La figura 14 muestra la forma de onda de conmutación para la transición de una lógica 0 a una lógica 1. Observa que el voltaje de banco es mucho mayor que V/2. De hecho, es 2/3*V o 2/3 del total de 5 voltios o 3,33 V. ¿Por qué? Si observas el divisor de voltaje en la figura 3 en este ejemplo, la resistencia superior es de 25 ohmios, o Zout del controlador, y la resistencia o impedancia característica más baja es de 50 ohmios, lo que produce el nivel de voltaje de 2/3.

El campo EM está cargando la capacidad de la línea a este valor tal como antes. Cuando el campo EM llega al receptor dos nanosegundos después de ser generado, se refleja nuevamente, duplicando el voltaje a 6,66 V. Como antes, el campo EM carga la capacitancia de la línea hasta 6,66 V. Después de otros dos nanosegundos, el campo EM vuelve al controlador y encuentra una terminación de línea como la que se muestra en la figura 5. Sin embargo, la terminación en paralelo no es de 50 ohmios, sino de 25 ohmios. Esto hará que sucedan dos cosas. En primer lugar, el divisor de voltaje es, en este caso, de 50 ohmios en la parte superior y de 25 ohmios en la parte inferior, tal como se muestra en la figura 15, con el valor del terminador en serie de cero ohmios, por lo que el voltaje se dividirá hacia abajo. En segundo lugar, no toda la energía se absorberá.

Cuando un campo EM encuentra una terminación en paralelo que tiene un valor menor que el TL, la energía reflejada tendrá la polaridad opuesta a la de la forma de onda incidente. Esto no se puede ver en el controlador. Dos nanosegundos después, la energía llega al receptor y, como se puede observar, esta se invierte o es negativa.

Como antes, la cantidad de energía duplicará el nivel de voltaje en el receptor y regresará al controlador. Cuando llega al controlador, parte de esta se absorbe y el resto se refleja invertida. Esto continúa hasta que toda la energía ha sido absorbida por la impedancia de salida del controlador y el nivel lógico se estabiliza en 5 V. Este efecto se puede ver en la figura 16.

Figura 14. Forma de onda conmutada en una línea de transmisión CMOS no terminada

Figura 15. Circuito equivalente de la figura 13, Zst = 0

Figura 16. Forma de onda conmutada en una línea de transmisión CMOS no terminada

Hay dos problemas con la forma de onda en la figura 16. En primer lugar, el voltaje está a 1,66 voltios por encima de Vdd. Este exceso de voltaje puede ocasionar fallos en la lógica o dañar el receptor. En segundo lugar, una vez que la señal llega al convertidor y se invierte, provoca que la lógica 1 en el receptor caiga por debajo de 4 voltios. Esto reduce la lógica a un nivel tal que podría provocar que esta fallara. Ninguna de las dos situaciones es buena. Por eso se añade una terminación en serie a un circuito como este.

La figura 17 muestra la forma de onda cuando la señal cambia a una lógica cero. Como puedes ver, las mismas violaciones de nivel ocurren en este estado de la lógica.

La escala es de 1 voltio por división, con la línea inferior a -1 V y la superior a 8 V

Figura 17. Otra forma de onda de conmutación para una línea de transmisión CMOS sin terminación

Sobreimpulso y subimpulso

Los términos sobreimpulso y subimpulso se utilizan para describir excursiones no deseadas de formas de onda de señal debidas a reflejos causados por los cambios de impedancia. La figura 18 muestra una línea de transmisión terminada en paralelo de 50 ohmios con tres valores diferentes de resistencia de terminación. Las formas de onda mostradas se miden a la salida del controlador. Cuando una línea de transmisión está perfectamente terminada en su impedancia característica, en este caso 50 ohmios, toda la energía es absorbida por el terminador a medida que llega al receptor y ninguna energía se refleja hacia el controlador. Esto se muestra mediante la forma de onda central en la figura 18.

Figura 18. Línea de transmisión terminada en paralelo

Cuando el valor del terminador se cambió a 70 ohmios, la línea ya no estaba perfectamente terminada y parte de la energía se reflejó en el controlador. La ecuación 3 suele llamarse ecuación de reflexión. Se utiliza para calcular la cantidad de reflexión que se producirá en una discrepancia de impedancia. En la ecuación, Zl es la impedancia ascendente y Zo es la impedancia descendente. En este caso, la impedancia ascendente es la impedancia de línea, 50 ohmios, y la impedancia descendente es la resistencia de terminación de línea. Con la resistencia de terminación a 70 ohmios, la ecuación predice que habrá una reflexión del 16% de la tensión incidente y la polaridad será positiva, sumándose a la tensión incidente como se puede ver en la figura 18 y provocando un sobreimpulso.

Cuando el valor del terminador se cambia a 30 ohmios, vuelve a ocurrir que la línea ya no termina perfectamente y parte de la energía se refleja de nuevo al controlador. Con la ecuación 3, el valor reflejado es del 25%, pero el valor es negativo, lo que se aleja del valor del incidente. A este fenómeno se le conoce como subimpulso.

Ecuación 3. La ecuación de reflexión

Cuando los voltajes lógicos estaban en el rango de los 5 voltios, el sobreimpulso a menudo era tan grande que causaba fallos en la lógica o incluso daños en el circuito. Por esta razón, el énfasis siempre se ha puesto en evitar un exceso de sobreimpulso. Esa es la justificación del uso de diodos en las entradas. A medida que los niveles lógicos han continuado cayendo, la probabilidad de fallo ha disminuido. Al mismo tiempo, los niveles lógicos han bajado y el margen de ruido también ha disminuido, lo que hace que los fallos de la lógica por ruido acoplado sean un gran problema. Como resultado, se pone más énfasis en evitar el subimpulso con la mayoría de las familias lógicas actuales.

Determinar los valores de resistencia de terminación

Como se ha señalado anteriormente, hay dos tipos de terminación: en serie y en paralelo. El valor de una terminación en paralelo es la impedancia característica del circuito de terminación o la línea de transmisión que se termina. Determinar los valores de las resistencias de terminación en serie no es tan sencillo. La resistencia de terminación en serie está destinada a sumar la impedancia de la línea de transmisión cuando se combina con la impedancia de salida del controlador. En otras palabras, Zst = Zo – Zout. ¿Dónde se obtiene la impedancia característica de salida del controlador? Sería bueno si esta información se imprimiera como parte de la hoja de datos del componente. Por desgracia, no suele ser así. Para encontrar Zout, es necesario obtener el modelo IBIS o SPICE del controlador de salida y calcularlo a partir de la curva VI. La mayoría de las herramientas de modelado SI hacen este cálculo y muestran la impedancia de salida. Algunos incluso hacen los cálculos y recomiendan un valor de resistencia en serie.

Para ello, puede ser especialmente útil disponer de una biblioteca de componentes actualizada y de fácil acceso con información de los proveedores y modelos de piezas fáciles de actualizar. Afortunadamente, como parte de Altium Designer, tienes acceso a una amplia gama de bibliotecas de componentes y a la actualización en tiempo real de la información del proveedor, todo ello de fácil acceso desde cualquier vía de tu equipo de producción.

Ubicación de las terminaciones en las PCB

A menudo surge la pregunta sobre la proximidad a la que se debe colocar una terminación al final de una línea de transmisión para que funcione correctamente. Sería bueno colocar estas resistencias en la superficie de la PCB, de tal manera que no dificulten innecesariamente la disposición o el montaje.

Localizar resistencias en paralelo es relativamente fácil. Cualquier lugar después de que la señal haya sido entregada a la entrada del dispositivo está bien, ya que la forma de onda de voltaje se ha entregado y la energía simplemente debe eliminarse. Sabiendo esto, coloca las terminaciones paralelas después de la última carga en la línea de transmisión para que no estorben. No es necesario meterlas debajo del campo de pines del BGA, por lo que se facilita el enrutamiento y montaje de la PCB.

Localizar terminaciones en serie requiere un poco más de análisis. Dado que la resistencia de terminación en serie o el circuito de terminación de línea está destinado a sumarse con la impedancia característica de salida del controlador, necesita estar lo suficientemente cerca. Esto significa que la pista que los conecta debe ser lo suficientemente corta como para que no funcione como una línea de transmisión que aísle a una resistencia de la otra. La única forma de llegar a una longitud aceptable para la conexión es utilizar un simulador para ver cuánto tiempo puede durar esta conexión sin dejar de tener una forma de onda aceptable en el receptor. El resultado será que la longitud permitida es una función directa del tiempo de subida del controlador. Cuanto más rápido sea el tiempo de subida, menor será la conexión permitida.

Stubs

Un stub es un ramal de la línea de transmisión principal. En determinadas condiciones, un stub puede afectar negativamente a una señal. Cuando un stub es lo suficientemente largo, parece cortocircuitar momentáneamente la señal. La figura 20 representa una línea de transmisión de un cuarto de longitud de onda a una frecuencia F.

Figura 19. Línea de transmisión con stub

En la figura 20 se muestra una onda sinusoidal lanzada a la entrada de la línea de transmisión. Un cuarto de longitud de onda después, o 90 grados después, llega al extremo abierto de la línea de transmisión, que es un circuito abierto. Como el extremo está abierto, toda la energía se refleja sin invertirse. Un cuarto de longitud de onda más tarde, regresa a la entrada exactamente 180 grados fuera de fase con la señal de entrada, cancelándola. El resultado es un cortocircuito en la frecuencia F.

Los ingenieros de RF utilizan los stubs de cuarto de onda como filtros de parada de banda en algunas partes de las radios donde hay una sola frecuencia que está causando interferencias. Lamentablemente, hay pocos lugares en la lógica en los que se requiera eliminar una única frecuencia. En su lugar, los stubs provocan reversiones de la forma de onda, como la forma de onda azul que se muestra en la figura 21. Esta inversión de forma de onda se produce en un reloj, lo que da como resultado un doble reloj.

Figura 20. Forma de onda en la línea de transmisión de cuarto de onda

Figura 21. Formas de onda en una línea de reloj que muestran los resultados de un stub

El único método fiable para decidir si un stub es lo suficientemente corto como para evitar causar el problema mostrado en la figura 21, es simular la topología propuesta en una herramienta como Hyperlynx y ver si la degradación de la forma de onda es aceptable. Como los tiempos de subida de muchos circuitos integrados actuales son tan rápidos (a menudo menos de 100 picosegundos), la longitud de la pista desde la bola de una BGA hasta el contacto real en la propia matriz puede ser lo suficientemente larga como para causar un problema. Esta longitud debe incluirse en la simulación.

Vías

"Vía" es un término que se utiliza para describir el orificio revestido, que atraviesa toda la placa, y que se utiliza para conectar el pin de señal de un CI a una pista en una capa interna de una PCB o a una pista en el lado opuesto de la PCB. Estas vías son orificios revestidos a través de la placa que tienen capacitancia e inductancia. La inductancia de la vía será de aproximadamente 35 picohenrios por milipulgada de longitud (1,4 nanohenrios por mm). Si esta inductancia será o no un problema depende de cómo se use la vía.

Si la vía se utiliza para conectar un condensador de derivación a un plano o un cable de alimentación de un componente a un plano, esta inductancia puede dar problemas con señales de tiempo de subida muy rápidas o degradar el rendimiento de los condensadores de derivación.

Gestión de stackup (apilamiento) de capas simplificada

La mayoría de las vías se crean con perforaciones de 1,2 mils (0,3 mm) o menos. Una vía creada con una perforación de 12 mil en una PCB de 2,5 mm (100 mil) de espesor tendrá un promedio de 0,3 pF. El que esta capacitancia añadida vaya a causar o no un problema de integridad de la señal, se responde mejor con un buen simulador. Basado en la experiencia, el autor ha observado que para las tasas de datos de hasta 3 Gb/s, la degradación de una vía es aceptable.

Una buena gestión del stackup o apilamiento de capas dentro de tu software de diseño de PCB y un visualizador de modelos 3D de fácil transición, te ayudarán a incorporar vías y a realizar un seguimiento de las mismas dentro de tus diseños. No permitas que la gestión de vías y microvías haga que tus diseños tropiecen cuando están tan cerca de la línea de meta.

Vías en el visualizador visor de modelos 3D de Altium Designer

Curvas en ángulo recto

El efecto de las curvas en ángulo recto en las pistas de señal ha sido motivo de preocupación desde que se fabrican las PBC. Algunos de los efectos que se han mencionado son:

• Las curvas en ángulo recto causan EMI.
• Las curvas en ángulo recto causan problemas de integridad de la señal.
• Las curvas en ángulo recto causan retención de ácido durante la fabricación de PCB.

Muestra de ángulos de enrutamiento de pistas

En algunos casos, se ha hecho un gran esfuerzo para asegurarse de que se eliminan las curvas en ángulo recto. Incluso se han desechado sistemas CAD completos porque no se podía evitar que colocaran curvas en ángulo recto en las pistas. Una buena pregunta a plantearse sería: "¿Son las curvas en ángulo recto un problema para los circuitos lógicos?". El punto 1 al final de esta sección describe una PCB de prueba, construida específicamente para medir los efectos de las curvas en ángulo recto. Esta PCB se diseñó con curvas en ángulo recto, curvas en ángulo agudo y curvas en ángulo obtuso para ver cómo se veían desde el punto de vista de las tres consideraciones mencionadas anteriormente. Las pruebas se realizaron en el laboratorio EMI de la Universidad de Missouri, en Rolla.

El resultado de estas pruebas es que ninguno de los problemas que se supone provocan las curvas en ángulo recto sucede realmente. Una buena pregunta sería: "¿Cómo surgieron estas ideas?". Lo más probable es que surgieran al observar que los ingenieros de RF redondean todas las esquinas. Esto se hace porque las descargas de corona se producen en esquinas afiladas a altos niveles de potencia de RF.

Lo curioso es que el hecho de que las curvas en ángulo recto no causen problemas se conoce desde hace al menos 40 años y se demuestra con pruebas y artículos publicados. Sin embargo, los mitos continúan transmitiéndose de ingeniero a ingeniero.

Referencias de líneas de transmisión y tipos de terminación

• "90 Degree Corners, The Final Turn", Doug Brooks, et al., Printed Circuit Design, enero de 1998.
• SIGNAL INTEGRITY: SIMPLIFIED, Eric bogatin, Prentice hall, 2004.
• "Reflections and Crosstalk in Logic Circuit Connections", John A DeFalco, IEEE Spectrum, julio de 1970.
• "Right the First Time, a Practical Handbook on High Speed PCB and System Design", volúmenes 1 y 2, Zasio y Ritchey, Speeding Edge 2003 y 2006.

Tener en cuenta los principios de integridad de la señal, así como las líneas de transmisión y las técnicas de terminación de la línea de transmisión, ya es una tarea de por sí. El software de diseño adecuado puede hacer por ti gran parte del trabajo, aunque partiendo de la correcta programación de las reglas de diseño y teniendo las herramientas de análisis de integridad de la señal adecuadas. Asegúrate de estar usando un software de diseño que haga el trabajo por ti.

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