Nuestros consejos de diseño de PCB para mejorar la integridad de la señal

Los importantes avances materializados en el campo de la electrónica han representado un crecimiento exponencial de las frecuencias de las señales digitales que se transmiten en las diferentes categorías de circuitos impresos, lo que confirma las predicciones de la ley de Moore. Dado el uso cada vez más generalizado de interfaces Ethernet y conmutadores de red en aplicaciones automotrices, industriales y de IoT, se espera que esta tendencia prosiga en el futuro, con velocidades de transmisión de datos iguales o superiores a 1 Gbps. El aumento de la velocidad de transmisión de datos, junto con la progresiva reducción del factor de la forma en la mayoría de las aplicaciones electrónicas (por ejemplo, los dispositivos portátiles y electromédicos), requiere un minucioso diseño del circuito, comenzando por el PCB, para asegurar la integridad de la señal en todas las condiciones de funcionamiento. Algunos de los requisitos que los diseñadores deben cumplir para este tipo de aplicaciones son las altas velocidades de transmisión de señales, la pérdida de inserción y los reducidos márgenes de error. La integridad de la señal no es una opción, sino que es esencial para el funcionamiento de cualquier circuito impreso con señales de alta frecuencia.

Integridad de la señal: ¿qué es?

Por integridad de la señal entendemos el conjunto de actividades de diseño, análisis y verificación, cuyo principal objetivo es preservar la integridad de las señales eléctricas que circulan por las trazas de un PCB, es decir, sus valores de tensión y corriente y su tendencia en el tiempo. Estas actividades desempeñan una función fundamental en los circuitos impresos digitales con líneas de transmisión (de señales u horarias) de alta frecuencia, que fácilmente pueden verse afectadas por el ruido y las interferencias. En los circuitos electrónicos modernos no es difícil encontrar señales cuyo flanco ascendente o descendente sea del orden de unas cuantas decenas de picosegundos; esto implica que, para evitar distorsiones en las señales, las trazas del PCB deben diseñarse con el fin de asegurar un ancho de banda alto y no alterar los componentes espectrales de la señal. Una de las principales causas de la diafonía es un aumento o disminución muy rápido de los flancos ascendentes y descendentes de la señal y, por tanto, debe considerarse correctamente. Si bien en el pasado la integridad de la señal era un requisito necesario solo en determinadas aplicaciones (militares, aeroespaciales, de telecomunicaciones y médicas), en la actualidad constituye un requisito común para los circuitos electrónicos que utilizan componentes digitales altamente integrados, a saber, microprocesadores, FPGA, sistemas en chip (SoC), buses de alta velocidad y memorias DDR.

Integridad de la señal e interferencia electromagnética

Todo diseñador de dispositivos para uso industrial o, en cualquier caso, quien requiera la aprobación de algún organismo de certificación antes de permitir su comercialización, entiende la importancia de tener en cuenta, desde las fases iniciales del desarrollo del PCB, los posibles problemas relacionados con las interferencias electromagnéticas (EMI). Por un lado, para superar con éxito las pruebas relativas a la compatibilidad electromagnética (EMC), es necesario cerciorarse de que las señales que atraviesan la placa de circuito impreso ofrezcan un alto grado de inmunidad contra las interferencias electromagnéticas producidas por fuentes externas, limitando al mismo tiempo tanto las emisiones conducidas (CE) como las emisiones radiadas (RE) producidas por el propio circuito.

Por otro lado, la integridad de la señal busca evitar la degradación de la calidad de la señal, con el fin de eliminar la posibilidad de que se produzcan distorsiones o errores en la transmisión de las señales digitales entre el origen y el destino. El requisito de la integridad de la señal tiene por objetivo la creación de PCB donde las señales sean limpias y ofrezcan márgenes de funcionamiento adecuados (relativos a posibles variaciones en la frecuencia horaria, la tensión de alimentación o las condiciones ambientales). Los principales problemas que se plantean son las reflexiones de la señal, la diafonía, el rebote a tierra y los fenómenos de acoplamiento. Por lo general, las posibles distorsiones que sufre la señal son del orden de unos pocos milivoltios o miliamperios. La figura 1 muestra un ejemplo de distorsión de la señal (en este caso, producida por los flancos ascendente y descendente de una señal de onda cuadrada) que es potencialmente capaz de comprometer la integridad de la señal.

Figura 1: Ejemplo de distorsión de una señal de onda cuadrada.

Sin embargo, en lo referente a las interferencias electromagnéticas, los niveles de las señales involucradas son del orden de unos pocos microvoltios o microamperios para las emisiones y de unos pocos kilovoltios o amperios para la inmunidad. Por tanto, se deduce que los valores de los parámetros necesarios para satisfacer los requisitos de integridad de la señal son considerablemente superiores a los requeridos para superar las pruebas de EMC relativas a las emisiones (tanto radiadas como conducidas), pero inferiores a los requeridos para la inmunidad a las interferencias electromagnéticas. Si bien los conceptos de integridad de la señal e interferencia electromagnética son diferentes, las técnicas de diseño de PCB utilizadas para cumplir los requisitos de ambos son los mismos.

Cómo mejorar la integridad de la señal

Definición de apilamiento

En el momento de escoger el número, el tipo y la disposición de las diferentes capas que componen un PCB, debe encontrarse el compromiso adecuado entre coste, tamaño e integridad de la señal. Por regla general, deben insertarse planos de alimentación y de tierra capaces de proporcionar una ruta de retorno a tierra para cada señal, con el fin de asegurar un control de impedancia óptimo. En la medida de lo posible, estos planos deben distribuirse con uniformidad en el apilamiento, para que al menos uno de ellos sea adyacente a cada capa de señal y no existan huecos o puntos de ruptura que puedan cambiar la ruta de la señal. Asimismo, las propiedades de los materiales utilizados desempeñan un papel fundamental, por tanto, es necesario evaluar detenidamente el grosor del cobre, el grosor del dieléctrico y la constante dieléctrica. El uso de materiales estándar, como el tradicional FR-4, no siempre representa la mejor opción para los circuitos con altas velocidades de propagación de la señal. En estos casos, se recomienda utilizar laminados con constantes dieléctricas (Dk) bajas, capaces de reducir las distorsiones y las variaciones de fase de la señal. Un ejemplo de estos materiales son los laminados Rogers, como el Roger RO4350. En comparación con el FR-4, los materiales de este tipo ofrecen propiedades específicas para altas frecuencias, aunque suponen un mayor coste.

Control de impedancia

El control de impedancia consiste en encontrar el acoplamiento adecuado entre el tamaño y posición de las trazas del PCB y las propiedades del sustrato y, al mismo tiempo, asegurarse de que la intensidad de la señal a lo largo de una traza permanezca dentro de los límites predeterminados. La intensidad de la señal es mayor cuanto mejor es el acoplamiento. Por el contrario, un acoplamiento defectuoso ocasiona pérdidas de potencia y los consiguientes problemas de integridad de la señal.

Las trazas del PCB deben tener una geometría uniforme, condición que asegura una constante dieléctrica consistente a lo largo de la traza, con el fin de obtener un acoplamiento de impedancia óptimo. El diseñador puede comprobar el valor de impedancia si manipula el ancho de la pista y utiliza una calculadora especial, también disponible en Internet. En caso de que el diseñador ignore este aspecto, pueden producirse reflexiones de la señal, que ocasionen un retorno de la misma hacia el punto de origen. Esta situación reduce la fuerza de la señal que llega al destino y genera interferencias electromagnéticas. Se debe prestar especial atención a los PCB multicapa, donde es posible que una traza en una capa con una impedancia, por ejemplo, de 40 Ω continúe su recorrido en una capa adyacente con una impedancia de 50 Ω, y provoque una reflexión de la señal. Un control de impedancia óptimo debe garantizar que la impedancia permanezca constante en todos los puntos de la traza, aún si esta atraviesa diferentes capas.

El diagrama de ojo representa una herramienta válida para evaluar la calidad de una señal digital rápida e intuitivamente y, además, muestra las posibles distorsiones que sufre la señal a lo largo de la línea de transmisión. La figura 2 muestra un ejemplo de diagrama de ojo, relativo a un caso de excelente integridad de la señal (imagen de la izquierda) y un caso de integridad de la señal defectuosa (imagen de la derecha).

Figura 2: Ejemplo de diagrama de ojo.

Diseño del PCB

A fin de garantizar una buena integridad de la señal, los diseñadores deben concentrarse en las trazas que transmiten señales de alta velocidad, especialmente en las rutas utilizadas por las señales entre el punto de origen y de destino y en las rutas de retorno a tierra. A continuación, las reglas principales a seguir para obtener un enrutamiento de señal efectivo:

• Evitar los ángulos rectos en las trazas, puesto que aumentan las capacidades parasitarias en el área y provocan variaciones en la impedancia y en las reflexiones de la señal. Preferentemente, utilizar ángulos de 45°, o mejor aún, secciones curvas.
• No abusar del uso de orificios de paso, por las mismas razones expuestas en el punto anterior. Además, los orificios aumentan la longitud de la traza.
• Separar las señales de alta velocidad de las de baja velocidad, así como las señales digitales de las analógicas; en las capas adyacentes, enrutar las señales de alta velocidad perpendicularmente entre sí para reducir la diafonía.

Diafonía

La diafonía se manifiesta como un acoplamiento no deseado (inductivo o capacitivo) entre las señales que atraviesan trazas adyacentes de la placa de circuito impreso. En el caso de las señales de alta velocidad, la diafonía puede provocar una degradación considerable de la calidad de la señal, que suele ser muy difícil de detectar de forma determinista y repetitiva. La solución clásica a este problema consiste en espaciar adecuadamente las trazas de alta frecuencia de las de alta velocidad y, en la medida de lo posible, utilizar el espacio intermedio sobrante para las trazas menos críticas. Un mayor espaciado reporta un beneficio inmediato, puesto que los efectos de acoplamiento son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las pistas.