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Simulación de integridad de señal de PCB

Simulación de integridad de señal de PCB

La integridad de la señal se está convirtiendo en un elemento cada vez más importante del diseño de circuitos y PCB. A medida que aumentan las frecuencias utilizadas en los circuitos digitales, incluso las conexiones relativamente cortas actúan como líneas de transmisión y tienen un efecto en la integridad de las señales que se transportan. Las señales que de otro modo podrían considerarse puramente digitales se modifican por efectos que pueden considerarse aplicables al dominio analógico. Estos efectos pueden hacer que los circuitos no funcionen y, en consecuencia, la integridad de la señal es ahora un problema importante para cualquier diseño de circuito.

En vista de la importancia de la integridad de la señal en cualquiera de los diseños de procesadores de alta velocidad actuales, es necesario incorporar simulaciones de diseño y verificaciones durante el proceso de diseño y disposición de la PCB. Las placas de circuito deben someterse efectivamente a ingeniería de integridad de señal. Si no se lleva a cabo durante el diseño, es poco lo que se puede hacer una vez que se ha construido una placa completa. En vista de esto, los mejores paquetes de software de diseño de PCB incorporan opciones para incluir ingeniería de integridad de señal y software de verificación, y esto permitirá que las verificaciones se lleven a cabo a medida que avanza el diseño. De esta manera, el diseño de la PCB se puede optimizar para garantizar que la integridad de la señal se diseñe correctamente y que se minimicen los problemas que surjan una vez que la PCB terminada esté disponible para su prueba.

Problemas de integridad de la señal

Hay cuatro áreas principales de diseño y distribución de circuitos que deben tenerse en cuenta para garantizar que se mantenga la integridad de la señal de un diseño de placa o circuito:

  • Efectos de la línea de transmisión
  • Emparejamiento de impedancia
  • Efectos de conmutación simultáneos
  • Diafonía

Para garantizar que se mantenga la integridad de la señal, se deben abordar todos los problemas para garantizar que la señal no se distorsione de ninguna manera y que los datos estén corruptos. De esta forma, el sistema puede funcionar satisfactoriamente sin errores y a la velocidad requerida.

Efectos de la línea de transmisión

A bajas frecuencias, una longitud de pista puede considerarse simplemente por sus características de CC. Sin embargo, a medida que aumentan las frecuencias, los efectos que incluyen la capacitancia y la inductancia asociadas con la pista comienzan a tener un impacto significativo en el rendimiento de la línea. En consecuencia, es necesario considerar las pistas como líneas de transmisión y tratarlas en consecuencia, teniendo en cuenta aspectos como la impedancia de la línea.

Como resultado, es necesario asegurar que la línea mantenga la misma impedancia característica a lo largo de la línea, de lo contrario se introducirán discontinuidades. Esto puede resultar en la creación de reflejos de señal que pueden dar lugar a timbres y mala integridad de la señal.

Para asegurar que las líneas de transmisión sean tratadas correctamente. Primero es necesario que las líneas tengan un plano de tierra debajo de ellas. También es necesario calcular la impedancia de la línea. Esto se determina a partir de una combinación del grosor de la línea, la distancia entre la línea y el plano de tierra y la constante dieléctrica de la placa. Si puede suceder con tanta frecuencia, la línea debe atravesar entre capas y, por lo tanto, la distancia entre la línea y el plano del suelo cambia. Será necesario asegurarse de que la impedancia de la línea siga siendo la misma, posiblemente cambiando el grosor de la línea.

Emparejamiento de impedancia

En vista del hecho de que las líneas en los PCB actúan más como líneas de transmisión a medida que aumentan las frecuencias, también es necesario considerar la forma en que las impedancias deben coincidir para garantizar una buena integridad de la señal. Cuando hay un desajuste entre la línea y la carga, no toda la energía de la forma de onda es absorbida por la carga. Lo que no se absorbe se refleja de nuevo a lo largo de la línea, donde de nuevo puede no ser absorbido si hay un desajuste entre el transmisor y la línea. Esto puede causar un sobreimpulso y un timbre que conduce a una mala integridad de la señal y da lugar a errores de señal. Para superar este problema, es necesario hacer coincidir la línea de transmisión con los controladores o transmisores de línea y los receptores de línea. Muchas salidas de controladores y receptores tienen impedancias de entrada y salida adecuadas. Donde esto no sea posible, digamos entre la línea de transmisión y el receptor, es posible poner una resistencia a tierra. De esta manera, la combinación en paralelo del receptor de línea y la resistencia puede igualar la impedancia de línea.

En vista de las altas velocidades involucradas y la longitud de algunas líneas, la capacidad de excitación de los controladores debe ser mayor que la de algunos chips "sólo lógicos" y se deben utilizar controladores de línea especiales. Podrán suministrar la corriente necesaria para conducir correctamente las líneas.

En algunas aplicaciones, puede ser posible agregar diodos de sujeción para reducir el nivel de sobreimpulso y subimpulso, y de esta manera mantener los niveles de integridad de la señal. Sin embargo, siempre que sea posible, es mucho mejor asegurarse de que se logre la combinación adecuada.

Efectos de conmutación simultáneos

Un efecto que puede alterar la integridad de la señal en una placa de circuito ocurre cuando varias líneas de salida se conmutan simultáneamente. Como la carga almacenada en las salidas debe descargarse, esto da lugar a altos niveles de corrientes transitorias. Si bien los niveles de transitorios son normalmente adecuados para el cambio de salidas individuales, si se conmutan varias líneas simultáneamente, especialmente en el mismo chip, las corrientes transitorias son mayores y esto puede dar lugar a problemas. Los problemas con la integridad de la señal surgen porque surge un voltaje entre la tierra del dispositivo y la tierra de la placa. Si la tierra del chip aumenta lo suficiente, puede hacer que se excedan los niveles de conmutación de señal, lo que provocará que se produzca una conmutación falsa.

Para superar este problema hay una serie de medidas que se pueden incorporar. Una es garantizar que no se produzca una conmutación simultánea, pero esto no siempre es posible, especialmente cuando los circuitos funcionan de forma síncrona. Una buena conexión a tierra es esencial: se debe utilizar un plano de tierra para garantizar un retorno a tierra de baja resistencia. Además, un desacoplamiento suficiente directamente a través del chip puede ayudar con algunos de los efectos relacionados.

Diafonía

Este aspecto de la integridad de la señal surge del hecho de que las señales que aparecen en una línea aparecen en las líneas cercanas. Esto puede resultar en picos espurios y otras señales que aparecen en líneas cercanas. Esto puede hacer que aparezcan datos erróneos o pulsos de reloj, y estos pueden ser muy difíciles de rastrear en algunas circunstancias. La mala integridad de la señal de la diafonía se debe a dos causas, a saber, la inductancia mutua y la capacitancia mutua.

La inductancia mutua es el efecto que se utiliza en los transformadores. Surge del hecho de que una corriente en una pista crea un campo magnético. Los cambios en este campo luego inducen una corriente en una pista cercana.

El capacitivo mutuo se produce como resultado del acoplamiento de los campos eléctricos entre dos pistas. Un voltaje que aparece en una pista crea un campo eléctrico que puede acoplarse a una segunda línea. Los voltajes cambiantes, especialmente los bordes rápidos, pueden provocar la aparición de bordes similares en líneas cercanas.

Hay varias técnicas que se pueden utilizar para superar estos efectos. Como la mala integridad de la señal de la diafonía surge de la inductancia y capacitancia mutuas, las soluciones implican tomar medidas para reducirlas. Esto se puede lograr de varias maneras organizando el diseño en consecuencia. El enrutamiento debe evitar líneas paralelas entre sí. Si las líneas tienen que cruzarse, esto debe lograrse en ángulos rectos y utilizando capas lo más separadas posible. El espacio entre líneas debe ser lo más amplio posible y, para reducir la capacitancia mutua, las líneas deben ser lo más delgadas posible. Finalmente, cuando se utilicen líneas de transmisión, deben estar lo más cerca posible del plano de tierra. Esto reducirá el acoplamiento a otras líneas cercanas.

Más ideas

Hay una serie de otras ideas que se pueden implementar para ayudar a mantener buenos niveles de integridad de la señal. Un área a la que se debe prestar especial atención es el circuito de reloj. Como genera un pulso de reloj regular, esto puede crear un ruido de fondo si no se incorporan las medidas de integridad de la señal. En consecuencia, es necesario garantizar que se implementen medidas para reducir la diafonía en las líneas de reloj. En particular, las líneas de señal deben mantenerse alejadas de las líneas de reloj y no deben enrutarse una debajo de la otra. Si esto es necesario, la tierra o el plano de la tierra deben estar entre ellos. Para garantizar la integridad de la señal, también es necesario asegurarse de que las líneas coincidan bien para evitar el timbre. Esto puede agregar picos adicionales que pueden transmitirse por los circuitos.

Otro método para mejorar la integridad de la señal es asegurarse de que todos los chips estén adecuadamente desacoplados. Un desacoplamiento deficiente se sumará al ruido presente en los circuitos y esto puede afectar la integridad de la señal. Cada chip debe desacoplarse de acuerdo con las pautas del fabricante. Los condensadores de desacoplamiento también deben colocarse lo más cerca posible de los chips.

La ingeniería de integridad de la señal es ahora una parte integral y esencial del proceso de diseño de la placa de circuito impreso. Con las altas velocidades empleadas en muchos de los circuitos actuales, ya no es posible diseñar el circuito básico aislado de la PCB. En cambio, el diseño de la PCB debe formar parte del diseño eléctrico general. Cuando se adopte este enfoque, se minimizará la posibilidad de problemas derivados de la mala integridad de la señal.

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