Sugerencias de diseño de alta velocidad

La mayoría de los diseños de PCB comienzan con un esquema correcto y verificado en la mano. Luego se debe emprender el arduo trabajo de convertir el diseño esquemático en una PCB final. Muy a menudo, la PCB no funcionará aunque el diseño del circuito original se haya realizado con cuidado. Incluso si un esquema se ha verificado mediante una simulación, lo que la simulación del diseño no tiene en cuenta es que los detalles del diseño de PCB pueden insertar fuentes de error imprevistas en la implementación de un diseño. Esto es especialmente cierto cuando se trata de usar componentes más nuevos y de mayor velocidad con sus correspondientes velocidades de reloj más altas en un diseño. Además, las velocidades de transferencia de datos entre dispositivos también aumentan continuamente y están sujetas a los mismos tipos de fuentes de error. Estos aumentos de velocidad permiten que los valores de capacitancia e inductancia pequeños inherentes a los diseños de PCB hagan que la implementación de PCB de un diseño falle.

Además de asegurarse de que una PCB sea funcional, los requisitos adicionales con respecto a la tolerancia de sus diseños al ruido radiado y la cantidad de ruido radiado que contribuye son de gran importancia para obtener la aprobación de un diseño final. Como tal, al desarrollar su próxima aplicación de PCB que incluya señales de alta velocidad, se debe tener mucho cuidado para mitigar los problemas de interferencia electromagnética.

Los ejemplos de señales de alta velocidad incluyen señales de reloj y puertos de comunicación de alta velocidad. Con algunas reglas simples, la integridad de la señal de su próximo diseño y los niveles de interferencia electromagnética se pueden mejorar, sin necesidad de modelos matemáticos complejos o herramientas de simulación complicadas y costosas. Este artículo presentará algunas de estas reglas simples que se pueden seguir para asegurar el éxito de su próximo diseño con señales de alta velocidad.

Antecedentes

En esta sección, discutiremos algunas de las fuentes de errores de diseño de alta velocidad y conceptos relacionados, y la siguiente sección brindará reglas generales para mitigar estas fuentes de errores.

1. Interferencia electromagnética y compatibilidad electromagnética

La interferencia electromagnética es un ruido de radiofrecuencia que interfiere con el funcionamiento de un dispositivo. Por otro lado, la compatibilidad electromagnética se refiere a limitar los niveles de interferencia electromagnética que emite un dispositivo. Todos los dispositivos emiten algún grado de interferencia electromagnética y al mismo tiempo absorben cierta cantidad de interferencia electromagnética. El objetivo de un diseñador de PCB debe ser reducir ambas cantidades a niveles razonables. También cabe señalar que existen estándares FCC y CISPR establecidos para el nivel de EMI que los dispositivos pueden emitir.

2. Señales de reloj

Las señales de reloj, comúnmente utilizadas para impulsar microprocesadores y puertos de comunicación, deberían ser una onda cuadrada perfecta, pero en realidad no lo son. De hecho, son una combinación de señales a la frecuencia de reloj nominal y las frecuencias armónicas por encima de la frecuencia de reloj. Como tal, la EMI debe considerarse tanto en la frecuencia del reloj utilizada en un diseño como en los armónicos de la frecuencia del reloj por encima de la frecuencia nominal del reloj.

3. Líneas de transmisión

A frecuencias más altas, los efectos de la línea de transmisión comienzan a entrar en juego incluso en el nivel de la placa de circuito impreso. Siempre que la frecuencia de una línea de señal haga que dicha señal tenga una longitud de onda del orden de la traza de PCB asociada, se debe considerar la impedancia característica de la traza para evitar reflexiones por desajustes de impedancia. En el sentido más general, el diseñador de PCB debe tomarse el tiempo para igualar la impedancia de las trazas asociadas con los transceptores que esas trazas están conectando. El uso de una microbanda (una traza de un ancho definido sobre un plano de potencia) o una tira (una traza de un ancho definido entre dos planos de potencia) son formas comunes de controlar la impedancia de una línea de transmisión a nivel de PCB.

También es común que los transceptores tengan entradas de alta impedancia. En este caso, la pista de conexión debe terminar de manera que coincida con la impedancia característica de la línea de transmisión a la que está conectado. Hay varias técnicas comunes de terminación, pero la investigación de ellas se dejará en manos del lector, ya que están más allá del alcance de este artículo.

4. Diafonía

Cuando dos trazas se ubican una al lado de la otra, se acoplan de manera inductiva y capacitiva (comúnmente conocida como diafonía) de una manera que puede permitir que una comprometa la operación de la otra. La forma más básica de eliminar este tipo de ruido es separar las huellas una distancia mayor. La diafonía también se puede mitigar mediante el uso de planos de potencia para suprimir los niveles de diafonía.

5. Señales diferenciales

Otra forma de lidiar con el ruido en una ruta de comunicación es mediante el uso de señales diferenciales. Las señales diferenciales son iguales y de potencial opuesto. En consecuencia, dos pistas son responsables de transportar una señal entre dispositivos y el valor de la señal está determinado por la diferencia de potencial en las dos pistas, no por el potencial absoluto de las pistas individuales. Esto deja las señales diferenciales inmunes a la diafonía y efectivamente inmunes al ruido radiado.

6. Áreas de bucle y corriente de retorno

Al considerar diseños de alta frecuencia, también se debe considerar la ruta de retorno de una señal. Cuando se trabaja con circuitos de CC, la ruta de retorno será la de menor resistencia, pero cuando se consideran señales de CA, la ruta de retorno será la de menor impedancia. El resultado es que la ruta de retorno de una señal de alta frecuencia estará directamente al lado de la traza de dicha señal. Normalmente, la diferencia en la ruta de retorno no es un problema cuando el rastro de la señal se enruta sobre un plano de tierra, pero puede ser un problema cuando el plano de tierra se rompe debajo del rastro de la señal. El resultado es una ruptura en la ruta de retorno de la señal será un bucle. Se deben evitar los bucles, ya que son radiadores EMI mucho más efectivos y tendrán un impacto negativo en la EMC de un diseño.

Consejos prácticos de diseño

Ahora que hemos presentado una breve discusión sobre las fuentes del ruido de la señal de alta velocidad, podemos pasar a discutir consejos de diseño más específicos.

Antes de asumir su próximo diseño de PCB de alta velocidad, primero debe echar un vistazo a los requisitos generales del diseño. Buenas preguntas para hacer son:¿Cuál es la frecuencia más alta en el sistema? ¿Necesitará usar una microbanda o una línea de banda para lograr el nivel de supresión de ruido requerido por el diseño? ¿Cuáles son las señales sensibles en su diseño? ¿Cuáles son las tolerancias mínimas requeridas por el fabricante de PCB? ¿Existen interconexiones sensibles entre los grupos funcionales del diseño? Con estas respuestas en la mano, se puede determinar una vista general del apilamiento y la composición del tablero.

1. Apilamiento de tableros

Una de las consideraciones más básicas para un nuevo diseño de circuito es la acumulación de PCB. Si no hay señales sensibles para proteger, puede estar bien usando una PCB estándar de 2 capas. Si debe enrutar las señales como líneas de tira, deberá usar una acumulación de 6 capas. Una PCB de 4 capas también puede ser una buena opción intermedia.

Otra consideración es que si puede crear el apilamiento de modo que los planos de potencia estén muy cerca uno del otro, puede reducir la necesidad de usar capacitores de desacoplamiento de valor pequeño en su diseño. Finalmente, si puede ubicar las fuentes y los sumideros de su señal de alta velocidad juntos en la PCB, podrá eliminar una gran parte de la EMI y EMC relacionada con esas señales.

2. Planos de potencia y tierra

El requisito más básico para un diseño de alta velocidad es la implementación de un plano de tierra completo. También puede ser de gran beneficio incluir un plano de potencia completo, pero eso requiere que el diseño se base en una acumulación de cuatro capas o más. También existe la ventaja de ubicar los rastros de señales muy cerca de los planos de potencia, lo que también debería informar el apilamiento utilizado en el diseño final.

Al dividir partes de un plano de potencia, también es importante recordar que las señales de alta velocidad tienen una corriente de retorno que sigue el camino de la impedancia más baja y no la resistencia. Tenga cuidado de no romper la ruta de retorno de una señal de alta velocidad entre su fuente y sumidero. Si debe romper un plano de tierra, intente no ejecutar rastros de señal sobre este descanso. Si lo hace, considere volver a conectar el plano de tierra junto con el rastro de la señal con una resistencia de 0 ohmios. De manera más sucinta, use los planos de tierra y energía tan uniformes e ininterrumpidos como sea posible en su diseño.

3. Temas adicionales

Los capacitores de desacoplamiento son importantes para crear caminos de baja impedancia a tierra y energía para señales de alta frecuencia. En general, deberá usar varios valores de capacitores diferentes para suprimir el ruido de alta frecuencia en un rango de frecuencias. Al colocar capacitores, coloque el capacitor de menor valor más cercano al dispositivo que está protegiendo y luego proceda con límites de valor cada vez mayores. Además, asegúrese de que el capacitor esté colocado entre el dispositivo y el plano de potencia que el capacitor está desacoplando. Esto asegurará que el capacitor esté desacoplando el dispositivo.

Otros consejos generales incluyen:
• Redondear las esquinas de las trazas puede reducir el nivel de EMI radiado por una señal. Esto se debe a que los cambios abruptos en las trazas conducen a niveles más altos de capacitancia y también provocan reflejos de señal de alta velocidad.
• Para minimizar la diafonía entre las trazas de señal, incluidas las que se encuentran en diferentes planos, asegúrese de que se crucen por la derecha ángulos.
• Evite las vías en las trazas de la señal. Las vías modifican la impedancia característica de la traza y pueden provocar reflejos. Además, si necesita utilizar vías con trazas de señales diferenciales, considere colocarlas en ambas trazas para asegurarse de que su efecto sea igual en ambas trazas.
• Considere el stub creado por el uso de vías. Considere el uso de vías ciegas o con rebabas en lugar de las vías convencionales.
• Considere los retrasos cuando utilice una solución de reloj distribuido. Evite bifurcaciones y haga coincidir las longitudes de seguimiento desde el reloj hasta los dispositivos conectados. A menudo es recomendable utilizar un controlador de reloj.

Recursos útiles
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