Los circuitos electrónicos de última generación tienen requisitos cada vez más estrictos, como la miniaturización, el uso de señales de alta frecuencia, la elevada densidad de los componentes y funcionalidades cada vez más complejas. El diseño de la placa de circuito impreso, que representa el elemento básico de un circuito electrónico, ha evolucionado en consecuencia para gestionar aplicaciones que cada vez revisten mayor complejidad, con señales cuya frecuencia aumenta constantemente. En este contexto, el control de la impedancia juega un papel relevante, una operación fundamental para asegurar la integridad de la señal, es decir, la correcta propagación de la señal sin sufrir distorsiones en cualquier condición operativa del circuito.
Con el aumento de la frecuencia, las trazas del PCB se comportan como líneas de transmisión, con un valor preciso de impedancia en cada punto de la traza. Si la impedancia, en lugar de permanecer constante, varía de un punto a otro, se genera una reflexión de la señal. La señal reflejada, que viaja en dirección opuesta a la señal original, depende absolutamente de la diferencia entre los valores de impedancia. Por tanto, es necesario mantener un valor de impedancia lo más constante posible, lo que a su vez depende del ancho de la traza, de su grosor, de la constante dieléctrica del material utilizado para el sustrato (Ɛr), del grosor del sustrato y del diseño de las trazas en el PCB. Los valores habituales de impedancia oscilan entre 25 y 120 Ω.
Al objeto de validar el diseño de un PCB, verificando a nivel práctico el valor de impedancia asumido a lo largo de las líneas de transmisión, normalmente se adopta la técnica de medición de TDR (Time Domain Reflectometry – Reflectometría de dominio de tiempo). En teoría, cuando una señal viaja por una línea de transmisión, no existe reflexión hacia la fuente y toda la energía de la señal alcanza su destino. Para que esto suceda, es necesario que la impedancia en cada punto de la línea de transmisión y la impedancia de la línea de terminación sean iguales a la impedancia de salida de la fuente de la señal. Sin embargo, si la impedancia no se mantiene constante, una parte de la señal se reflejará inevitablemente.
TDR es una técnica que mide el perfil de impedancia de un dispositivo sometido a prueba (DUT, por sus siglas en inglés) y se basa en el uso de un generador de pulsos y un osciloscopio (Figura 1). Se envía un pulso muy rápido al DUT: si existe una discontinuidad en la impedancia, una parte de este pulso se reflejará de vuelta hacia el osciloscopio, utilizado como sistema de monitorización. El punto en la línea de transmisión donde se ha producido la discontinuidad puede determinarse entonces midiendo el tiempo que ha tardado la señal reflejada en regresar al osciloscopio, conocida la velocidad de propagación de la señal a lo largo de la línea de trasmisión. Finalmente, la amplitud de la discontinuidad (y, por tanto, la diferencia en la impedancia) puede determinarse comparando la amplitud del pulso reflejado con la del pulso original enviado al DUT. El pulso transmitido es de banda ancha, por lo que la técnica TDR proporciona información útil sobre posibles variaciones en la impedancia en un amplio espectro de frecuencias.
Figura 1: Ejemplo de aplicación de TDR (Fuente: Agilent Technologies)
Las trazas microstrip, utilizadas en las capas más externas del PCB, ofrecen una elevada impedancia característica, que depende de la constante dieléctrica y del grosor del material aislante, así como del ancho y del grosor de la traza. La constante dieléctrica del material aislante debería determinarse en función de la frecuencia operativa del circuito. Además, según disminuye la velocidad de transmisión de la señal al aumentar la constante dieléctrica, su valor debe mantenerse en los valores más bajos posibles en caso de funcionar con señales de alta frecuencia (1 GHz o superiores). Tras la constante dieléctrica, los demás parámetros que hay que considerar se refieren al ancho y grosor de las trazas. Estos factores afectan enormemente al valor de impedancia y, en consecuencia, deben seleccionarse en la fase de diseño para que también cumplan este requisito, además de los relativos a corriente máxima y máxima variación de la temperatura. El grosor del material aislante es otro elemento crucial que contribuye a la determinación de la impedancia característica. De hecho, un aumento del grosor del laminado de tan solo 0,025mm puede dar lugar a una variación de la impedancia de 5 a 8 Ω. Durante la fabricación del PCB, por tanto, es posible ajustar el grosor del laminado de forma que se obtenga el valor de impedancia deseado, con el mismo valor de los demás parámetros. Se denomina microstrip a un tipo de línea de transmisión ampliamente utilizado en circuitos de alta frecuencia, como antenas, filtros, conectores y divisores de potencia. Debido a que incluso una ligera variación en el ancho o el grosor de la traza, en la constante dieléctrica o en el grosor del material aislante puede provocar una variación significativa de la impedancia, resulta esencial, tanto en la fase de diseño como durante la fabricación, mantener un control directo de estos parámetros a fin de garantizar los valores de impedancia esperados.
Las striplines, inventadas en la década de los cincuenta por M. Barrett en el Air Force Cambridge Research Center, representan el primer tipo de línea de transmisión plana. Una stripline, visible a la derecha en la Figura 2, se compone de una tira plana de metal colocada entre dos planos de tierra paralelos, mientras que el material aislante del sustrato forma un dieléctrico. El ancho de la tira conductora, el grosor del sustrato y la permisividad eléctrica relativa del material determinan la impedancia característica de la stripline. Hay que tener en cuenta que el conductor central no necesariamente debe ser equidistante con respecto a los planos de tierra y que las características del material dieléctrico encima y debajo de la traza conductora pueden ser diferentes.
Los valores de impedancia, tanto para las microstrips como para las striplines, pueden calcularse con un buen margen de aproximación utilizando una de las muchas herramientas disponibles online, o con aplicaciones de software específicas que requieren ser instaladas en el PC.
Figura 2: líneas de transmisión microstrip y stripline
En general, es óptimo que los diseñadores de placas de circuito impreso indiquen explícitamente qué señales requieren control de impedancia. En esta operación, la ficha técnica de los componentes es una ayuda fundamental, ya que normalmente proporciona información detallada sobre cada clase de señal y sobre los valores de impedancia correspondientes. Muy a menudo se indica también en qué capa es más adecuado enrutar las señales individuales y qué normas de espaciado entre las trazas deben utilizarse. Ejemplos de señales para las cuales es de fundamental importancia seguir esta norma son las líneas de reloj o de datos de las memorias DDR, señales de audio y video (como el interfaz HDMI), señales Ethernet de gigabytes o señales de radiofrecuencia (RF).
Así pues, es importante que el diseñador especifique:
Es de vital importancia que las trazas con impedancia controlada estén adecuadamente separadas, así como las demás trazas y los diversos componentes dispuestos en la placa de circuito impreso. Una regla empírica común, pero eficaz, consiste en el uso de un espaciado mínimo de "2W" (e incluso mejor de un espaciado de "3W"), donde "W" representa el ancho de la pista sujeta a control de impedancia.
Con el propósito de reducir o, si es posible, eliminar la diafonía, la distancia entre las trazas también en este caso debe seguir la regla de “3W” o “2W”. Hay que tener en cuenta que este fenómeno afecta principalmente a las líneas de transmisión microstrip, mientras que las striplines (puesto que están encerradas en material aislante) son menos propensas a este fenómeno.
En el caso de las señales de alta frecuencia, la distancia mínima debe incrementarse hasta “5W”, manteniendo una distancia mínima de 30 mils de cualquier otro tipo de señal. En el caso de señales periódicas (como los relojes), esta distancia debe aumentarse a 50 mils a fin de conseguir un mejor grado de aislamiento.
Los componentes y orificios pasantes jamás deben colocarse entre pares de señales diferenciales, incluso si las señales están enrutadas simétricamente a su alrededor. De hecho, los componentes y los orificios pasantes crean discontinuidades en el valor de impedancia, comportando posibles problemas de integridad de la señal.
Si en el PCB existen pares de señales diferenciales de alta velocidad con condensadores de acoplamiento en serie, estos deberán colocarse simétricamente. Debido a que los condensadores crean discontinuidades en el valor de la impedancia, su colocación simétrica reduce el alcance de la discontinuidad de la señal.
Partiendo de la hipótesis de que la velocidad de propagación de la señal permanezca constante en todas las trazas, equilibrar la longitud de las trazas permite evitar que se cree un retraso en la propagación entre varias señales. Este es el caso típico de los grupos de señales que viajan juntos a alta velocidad y de los que se espera que alcancen su destino simultáneamente (o con una tolerancia ajustada). Un ejemplo de esto son las líneas de datos de una memoria DDR.
Lo mismo es aplicable a la longitud de las trazas pertenecientes a un par de señales diferenciales. Si no se equilibra la longitud, se producirá un retardo inaceptable entre las señales positivas y negativas. A nivel práctico, se emplean diferentes técnicas para obtener una alineación de la longitud, entre las cuales la más habitual consiste en insertar serpentinas en las pistas más cortas a fin de compensar su longitud con respecto a las demás (véase la Figura 3). La geometría de las trazas de serpentina debe seleccionarse meticulosamente para reducir la discontinuidad de la impedancia.
Figura 3: Inserción de serpentinas en las pistas más cortas (Fuente: Altium)