Entendiendo las Reflexiones de Señal para Diseño de Alta Velocidad

Introducción

Las reflexiones de señal y la ingeniería relacionada con el emparejamiento de impedancias son uno de los temas básicos relacionados con el diseño de sistemas digitales de alta velocidad. En el caso de un sistema digital con una alta tasa de bits, en el que la información sobre el estado de los bits "0" y "1" se envía en forma de señal de onda cuadrada, se asume que el tiempo de subida (o bajada) de los bordes ascendentes y descendentes es despreciable en relación con la frecuencia de la señal binaria. En la práctica, una señal digital nunca sube y baja infinitamente rápido. El tiempo de subida (y bajada) está determinado por los parámetros del camino de la señal que incluye los parámetros del transmisor, del receptor y las características físicas de la línea de transmisión.

En el caso de sistemas de alta velocidad, el tiempo de subida y bajada puede ser tan corto como 1ns o menos. La frecuencia de la señal binaria en sistemas digitales puede alcanzar varios GHz y para mantener una forma relativamente rectangular, los bordes ascendentes y descendentes deberían ser una fracción de la duración del bit.

La velocidad de propagación de ondas electromagnéticas (propagación de voltaje y corriente en la línea de transmisión) depende de varios factores, incluyendo el tipo de línea de transmisión y el tipo de sustrato. Por ejemplo: para sustrato FR4 y líneas de transmisión microstrip, la velocidad de propagación es aproximadamente de 160Mm/s (megámetros por segundo) o 525Mft/s (mega pies por segundo). Si el tiempo de subida (o bajada) del borde es, por ejemplo, de 200ps, entonces el borde ascendente (o descendente) viajará a lo largo de la línea de transmisión 32mm o 1.25pulgadas durante el tiempo de subida o bajada.

La retención de la forma de la señal depende de si la línea de transmisión a lo largo del PCB, sobre una longitud comparable a la distancia recorrida por el borde ascendente (o descendente), mantiene la continuidad de la impedancia y una terminación adecuada en el lado del receptor. En el caso de conexiones muy cortas o tiempos de subida (bajada) lentos de la señal digital, los fenómenos de reflexiones, como se describen aquí, pueden no ser observables y pueden omitirse. Como regla general, se puede asumir que si la distancia recorrida por el borde de la señal (es decir, el producto del tiempo de propagación y la velocidad de propagación) es más del 10% de la longitud de transmisión, se debe tener cuidado de hacer coincidir adecuadamente las salidas, entradas y la línea de transmisión - este procedimiento se llama emparejamiento de impedancia e incluye el diseño de las pistas en el PCB así como redes de emparejamiento, compuestas con resistencias.

Emparejamiento de impedancia y emparejamiento resistivo

La relación que determina la condición de adaptación de impedancia es bien conocida. Si la impedancia de salida del TX es el conjugado complejo de la impedancia del receptor y el camino que conecta el transmisor y el receptor tiene la resistencia igual a la parte real del transmisor y receptor, entonces el camino de la señal está adaptado. En casos prácticos de sistemas digitales, la adaptación no se realiza implementando una red de adaptación de impedancia de conjugado complejo para el camino del transmisor o receptor (esto requeriría añadir inductores y capacitores a las líneas de señal para cancelar cualquier componente de impedancia imaginaria. Además, este tipo de adaptación suele ser de banda estrecha por lo que no tiene aplicación práctica en sistemas digitales).

Una práctica común es adaptar solo la parte resistiva de los ICs transmisores y receptores y hacer que la impedancia característica de la línea de transmisión sea puramente resistiva. En este caso, solo se necesitan resistencias para proporcionar la adaptación requerida, por ejemplo, una resistencia en serie en la salida del controlador es una de las posibles soluciones para adaptar el transmisor a la línea de transmisión. En el receptor se puede usar una resistencia en paralelo a tierra (o para un par diferencial - una resistencia entre las pistas que forman el par diferencial). Algunos ejemplos relacionados con topologías de terminación del receptor se muestran en la figura 1 tomada de la herramienta de Integridad de Señal disponible en Altium Designer.

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Figura 1: Topologías de terminación disponibles en la herramienta de Integridad de Señal de Altium Designer

Ejemplos de reflexiones de señales en el sistema digital

Este capítulo discute ejemplos de emparejamiento de señales con formas de onda de reflexión que se basarán en el sistema de 50Ω - sistema común para diseños de frecuencia de radio, sin embargo, las relaciones presentadas en esta sección también se aplican a sistemas digitales que utilizan otros perfiles de impedancia, así como para señales transmitidas por medio de pares diferenciales - común para sistemas digitales de alta velocidad, por ejemplo, USB3.0 o PCIe. Las consideraciones presentadas omiten la influencia de la parte imaginaria de la impedancia del transmisor, receptor. La línea de transmisión está diseñada por medio de perfil de impedancia (establecido en 50Ω) definido en Altium Designer. En este caso, la condición de emparejamiento toma la forma definida por la ecuación 1 en la que cada resistencia tiene un valor de 50Ω.

Para propósitos de simulación se utilizó el modelo IBIS del chip LMK00334RTVR. Las resistencias utilizadas para componentes de emparejamiento para este chip son lo suficientemente cercanas a 50Ω - se demostró que el sistema está bien emparejado por medio de simulación cuando se utilizaron resistencias de 50Ω. Note que el LMK00334RTVR puede requerir diferentes valores para terminar entradas y salidas.

Ro=Ri=Rt=50Ω (ec. 1)

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• Ro - resistencia de salida del transmisor,
• Ri - resistencia de entrada del receptor,
• Rt - impedancia característica de la línea de transmisión.

Caso de sistema adaptado, excitación de pulso único

En el caso de un diseño de adaptación adecuado, las resistencias en la red de adaptación se definen por una ecuación 1. El diagrama de tal sistema se muestra en la figura 2 y los resultados de la simulación se presentan en la figura 3. No hay reflexión de señal en el sistema a lo largo de la línea de transmisión. La señal se envía desde el pin U29 de U1, viaja a través del resistor de adaptación en serie (R5) y es completamente absorbida por el resistor de carga (R4) en el otro extremo de la línea. La energía total fue absorbida por R4 y, por lo tanto, no ocurrió ninguna reflexión - solo es visible el pulso de origen.

Figura 2: Esquemático de la configuración del circuito utilizada para la simulación

Figura 3: Simulación de pulso único en circuito completamente adaptado

Reflexiones en el sistema para una excitación de pulso único. Caso de reflexión en fase

Si las resistencias dadas por la ecuación 1 no son las mismas, ocurren reflexiones en el sistema. Se presenta un ejemplo de reflexión de señal en la figura 4, donde la resistencia de derivación del receptor se aumentó de 50Ω a 10kΩ (ver figura 2, resistencia R4) y la resistencia del transmisor (R5) se redujo a 1Ω. En este caso, el pulso enviado por el transmisor no fue absorbido por R4 en el lado del receptor. La señal se reflejó y regresó a la entrada del transmisor después de aproximadamente 1.6ns. Conociendo el tiempo de propagación y la velocidad, se puede calcular la distancia desde el transmisor de la señal hasta el lugar donde ocurrió la incompatibilidad de impedancia, teniendo en cuenta que el pulso recorre esta distancia dos veces. Altium Designer proporciona el valor del tiempo de propagación para una red dada - ver figura 5. El tiempo de propagación para esta red en particular fue calculado por Altium Designer y es igual a 807ps. Para un viaje de ida y vuelta esto es aproximadamente 1.6ns.

Figura 4: Caso de reflexión de un solo pulso

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Figura 5: Retardo de propagación de la línea de transmisión, calculado por Altium Designer

Reflexiones en el sistema para una excitación de un solo pulso. Caso de reflexión fuera de fase

En este caso, las resistencias de la red de adaptación se establecieron de la siguiente manera: Ro=R5=50Ω. Además, se estableció que Ri=R4 fuera de 100mΩ (se puede considerar como un cortocircuito en comparación con 50Ω). Si la línea de transmisión en el otro extremo termina con una resistencia que es menor que la resistencia de la fuente y la línea de transmisión, entonces la señal se refleja 180 grados fuera de fase. Esta reflexión resulta en un voltaje negativo en la línea de transmisión - ver figura 6. Este voltaje negativo puede llevar a la conducción de los diodos de protección de los pines del circuito integrado o incluso dañar el chip.

Figura 6: Reflexiones negativas y positivas en la línea de transmisión

Reflexiones causadas por un perfil de impedancia no uniforme de la línea de transmisión, excitación de pulso único

En este caso, el transmisor y el receptor están emparejados (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), mientras que la línea de transmisión está diseñada para tener una impedancia característica no uniforme a lo largo de su longitud - ver figura 7. Esto resulta en reflexiones causadas por la impedancia no uniforme a lo largo de la línea. El resultado de la simulación para este caso, realizado en la herramienta SI de Altium Designer, se muestra en la figura 8. En este caso, ocurre una serie de reflexiones de señal a lo largo de la línea. Esto demuestra que la impedancia del camino de transmisión debe ser diseñada para ser uniforme a lo largo de su longitud. Tal diseño mejora la integridad de la señal del sistema.

El cambio no deseado en la impedancia característica a lo largo de la línea de transmisión puede tener diferentes orígenes, por ejemplo: puede estar relacionado con un cambio en su ancho (como se muestra en la figura 7). Además, otros factores juegan un papel significativo en la creación de impedancia no uniforme, por ejemplo, la pérdida del plano de referencia, conjunto de vías a lo largo de la línea, campos de cobre ubicados cerca de la línea de transmisión y más.

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Figura 7: Impedancia no uniforme a lo largo de la línea de transmisión

Figura 8: Efectos de la línea de transmisión no uniforme

Reflexiones en la línea de transmisión no emparejada con excitación de onda cuadrada

La Figura 9 presenta el caso de la falta de coincidencia de señal del receptor, transmisor y línea de transmisión (incluyendo su discontinuidad). En este caso, el transmisor alimenta la línea con una señal cuadrada de 1GHz para imitar la comunicación digital en el sistema. Esta señal se distorsiona completamente por una serie de reflexiones en un sistema tan desajustado. El voltaje de la línea de transmisión oscila alrededor de 1.5V, superando también el estado inicial (1.85V) por casi 400mV. En este caso, la comunicación en el sistema será interrumpida. También hay componentes de alta frecuencia en la línea que superan 1GHz que pueden ser una fuente de interferencia y problemas con EMI. El transmisor excita constantemente la línea, proporcionando energía para mantener la llamada onda estacionaria en la línea de transmisión, distorsionando completamente la señal original.

Figura 9: Sistema no coincidente con excitación continua en la línea de transmisión

Conclusiones

Las reflexiones de señal son el resultado de la falta de coincidencia de impedancia en la cadena de señal, que incluye las resistencias o impedancias del transmisor, receptor y la línea de transmisión. Las reflexiones también están relacionadas con el diseño incorrecto de la línea de transmisión utilizada para señales digitales (de alta velocidad) o analógicas, como la onda portadora de un sistema de radio. La ocurrencia de reflexiones deteriora la integridad de las señales y puede llevar a un aumento de la tasa de error en el sistema así como a emisiones electromagnéticas aumentadas.

Los resultados de la simulación presentados en el artículo se llevaron a cabo en la herramienta de Integridad de Señal de Altium Designer. Altium Designer apoya a los diseñadores de sistemas de alta velocidad en la implementación del esquemático y diseño de PCB correctos al proporcionar herramientas para simular circuitos de alta frecuencia y fenómenos, como las reflexiones de señal discutidas en el artículo.