La mayoría de los diseños de PCB comienzan con un esquema correcto y verificado en mano. A continuación, debe emprenderse el arduo trabajo de convertir el diseño del esquema en una PCB final. Muy a menudo, la PCB no funcionará aunque el diseño original del circuito se haya realizado con cuidado. Incluso si un esquema ha sido verificado mediante una simulación, aquello de lo que la simulación del diseño no logra dar cuenta es que los detalles específicos de laDiseño de PCBpueden introducir fuentes imprevistas de error en la implementación de un diseño. Esto es especialmente cierto cuando se utilizan componentes más nuevos y de mayor velocidad con sus correspondientes frecuencias 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 incrementos de velocidad permiten que los pequeños valores de capacitancia e inductancia inherentes en los diseños de PCB provoquen que la implementación en PCB de un diseño falle.
Además de asegurarse de que una PCB sea funcional, los requisitos adicionales relacionados con la tolerancia de su diseño al ruido radiado y la cantidad de ruido radiado que este genera son de gran importancia para obtener la aprobación del diseño final. Por lo tanto, 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.
Algunos ejemplos de señales de alta velocidad incluyen las señales de reloj y los puertos de comunicación de alta velocidad. Con algunas reglas sencillas, la integridad de la señal y los niveles de interferencia electromagnética de su próximo diseño pueden mejorarse, sin necesidad de modelos matemáticos complejos ni de herramientas de simulación complicadas y costosas. Este artículo presentará una serie de estas reglas simples que pueden seguirse para asegurar el éxito de su próximo diseño con señales de alta velocidad.
Antecedentes
En esta sección analizaremos algunas de las fuentes de errores de diseño de alta velocidad y conceptos relacionados, y en la siguiente sección se proporcionarán reglas generales para mitigar estas fuentes de errores.
1. Interferencia Electromagnética y Compatibilidad Electromagnética
La interferencia electromagnética es ruido de radiofrecuencia que interfiere con el funcionamiento de un dispositivo. Por otro lado,compatibilidad electromagnéticase refiere a limitar los niveles de interferencia electromagnética que emite un dispositivo. Todos los dispositivos emiten cierto 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 normas establecidas por la FCC y la CISPR para el nivel de EMI que los dispositivos pueden emitir.
2. Señales de reloj
Las señales de reloj, comúnmente utilizadas para accionar 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 nominal del reloj y a las frecuencias armónicas por encima de la frecuencia del reloj. Por lo tanto, la EMI debe considerarse tanto a la frecuencia del reloj utilizada en un diseño como a las armónicas 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 laplaca PCBnivel. Siempre que la frecuencia de una línea de señal haga que dicha señal tenga una longitud de onda del orden de la pista de PCB asociada, se debe considerar la impedancia característica de la pista para evitar reflexiones debidas a desajustes de impedancia. En el sentido más general, el diseñador de PCB debe tomarse el tiempo para igualar la impedancia de las pistas asociadas con los transceptores que dichas pistas están conectando. El uso de una microstrip (una pista de un ancho definido sobre un plano de alimentación) o una stripline (una pista de un ancho definido entre dos planos de alimentación) 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 terminarse de una manera que coincida con la impedancia característica de la línea de transmisión a la que está conectada. Existen varias técnicas de terminación comunes, pero la investigación sobre ellas se dejará al lector, ya que están fuera del alcance de este artículo.
4. Diafonía
Cuando dos pistas se encuentran una al lado de la otra, están acopladas inductiva y capacitamente (comúnmente denominado diafonía) de una manera que puede permitir que una comprometa el funcionamiento de la otra. La forma más básica de eliminar este tipo de ruido es separar las pistas una mayor distancia. La diafonía también puede mitigarse mediante el uso de planos de alimentación para suprimir los niveles de diafonía.
5. Señales diferenciales
Otra forma de lidiar con el ruido en una ruta de comunicación es utilizando señales diferenciales. Las señales diferenciales son iguales y opuestas en potencial. 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 entre las dos pistas, no por el potencial absoluto de las pistas individuales. Esto hace que las señales diferenciales sean inmunes a la diafonía y efectivamente inmunes al ruido radiado.
6. Áreas de Retorno de Corriente y de Bucle
Al considerar diseños de alta frecuencia, también se debe tener en cuenta la trayectoria de retorno de una señal. Al trabajar con circuitos de CC, la trayectoria de retorno será el camino de menor resistencia, pero al considerar señales de CA, la trayectoria de retorno será el camino de menor impedancia. El resultado es que la trayectoria de retorno de una señal de alta frecuencia estará directamente al lado de la pista de dicha señal. Normalmente, la diferencia en la trayectoria de retorno no es un problema cuando la pista de la señal se enruta sobre un plano de tierra, pero puede ser un problema cuando el plano de tierra está interrumpido bajo la pista de la señal. El resultado es que una interrupción en la trayectoria de retorno de la señal formará un bucle. Los bucles deben evitarse, ya que son radiadores de EMI mucho más eficaces y afectarán negativamente la CEM de un diseño.
Consejos prácticos de diseño
Ahora que hemos presentado una breve discusión sobre las fuentes de ruido en señales de alta velocidad, podemos pasar a analizar consejos de diseño más específicos.
Antes de asumir tu próximodiseño de PCB de alta velocidadprimero debe echar un vistazo a los requisitos generales del diseño. Buenas preguntas que hacer son: ¿Cuál es la frecuencia más alta en el sistema? ¿Necesitará usar una microcinta o una stripline para lograr el nivel de supresión de ruido requerido por el diseño? ¿Cuáles son las señales sensibles en su diseño? ¿Cuáles son lastolerancias mínimas¿requerido por el fabricante de PCB? ¿Hay interconexiones sensibles entre los grupos funcionales del diseño? Con estas respuestas en la mano, se puede determinar una visión general de la estructura y la composición de la placa.
1. Apilamiento de la placa
Una de las consideraciones más básicas para un nuevo diseño de circuito es laApilamiento de PCB. Si no hay señales sensibles que proteger, puede que le baste con usar una PCB estándar de 2 capas. Si está obligado a enrutar señales como líneas stripline, necesitará usar una pila de 6 capas. Una PCB de 4 capas también puede ser una buena opción intermedia.
Otra consideración es que, si puedes crear el apilado de capas de manera que los planos de alimentación estén muy cerca entre sí, puedes reducir la necesidad de utilizar condensadores de desacoplo de pequeño valor en tu diseño. Por último, si puedes ubicar las fuentes y sumideros de tus señales de alta velocidad cerca unos de otros en la PCB, podrás eliminar una parte importante de las EMI y EMC relacionadas 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 alimentación completo, pero eso requiere que el diseño se base en una pila de cuatro capas o más. También hay una ventaja en ubicar las pistas de señal muy cerca de los planos de alimentación, lo que también debería influir en la pila utilizada 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 menor impedancia y no de menor resistencia. Procura no interrumpir la trayectoria de retorno de una señal de alta velocidad entre su origen y su destino. Si debes interrumpir un plano de tierra, intenta no enrutar pistas de señal sobre esta interrupción. En caso de que lo hagas, considera reconectar el plano de tierra junto a la pista de señal con una resistencia de 0 ohmios. En resumen, utiliza planos de tierra y de potencia tan uniformes e ininterrumpidos como sea posible en tu diseño.
3. Temas adicionales
Los condensadores de desacoplo son importantes para crear caminos de baja impedancia a tierra y a la alimentación para señales de alta frecuencia. En general, será necesario usar varios valores diferentes de condensadores para suprimir el ruido de alta frecuencia en un rango de frecuencias. Al colocar los condensadores, sitúa el condensador de menor valor lo más cerca posible del dispositivo que estás protegiendo y luego continúa con condensadores de valores cada vez mayores. Además, asegúrate de que el condensador esté colocado entre el dispositivo y el plano de alimentación que el condensador está desacoplando. Esto garantizará que el dispositivo esté siendo efectivamente desacoplado por el condensador.
Otros consejos generales incluyen:
• Redondear las esquinas de las pistas puede reducir el nivel de EMI radiado por una señal. Esto se debe a que los cambios bruscos en las pistas generan niveles más altos de capacitancia y también provocan reflexiones de señales de alta velocidad.
• Para minimizar la diafonía entre las pistas de señal, incluidas las que se encuentran en diferentes planos, asegúrate de que se crucen entre sí en ángulos rectos.
• Evite las vías en las pistas de señal. Las vías cambian la impedancia característica de la pista y pueden causar reflexiones. Además, si necesita usar vías en pistas de señal diferencial, considere colocarlas en ambas pistas para asegurar que su efecto sea igual en ambas.
• Considere el stub creado por el uso de vías. Considere usar vías ciegas o enterradas en lugar de vías convencionales.
• Considere los retardos al utilizar una solución de reloj distribuido. Evite derivaciones y haga coincidir las longitudes de las pistas desde el reloj hasta los dispositivos conectados. A menudo es recomendable usar un controlador de reloj.
