Las mejores técnicas de reducción de la diafonía

La diafonía es uno de los problemas más capciosos y difíciles de solucionar con el que las placas de circuito impreso pueden tropezar. Lo peor es que solo suele producirse en la fase final de un proyecto y, con frecuencia, de forma intermitente o no fácilmente reproducible. Por lo tanto, es importante para todo diseñador electrónico la pronta eliminación de todas las posibles causas que determinan la aparición de diafonía en un PCB. La diafonía genera efectos no deseados en la señal horaria, señales periódicas y de control, líneas de trasmisión de datos y E/S. Como efecto de la diafonía, los niveles de corriente y tensión pueden superar los umbrales normales de los dispositivos lógicos, generando estados lógicos “falsos” que pueden afectar al funcionamiento de muchos circuitos. La diafonía también puede afectar negativamente a las señales analógicas al agregar ruido no deseado. En los siguientes párrafos veremos con más detalle en qué consiste la diafonía y cómo se puede analizar y eliminar este fenómeno, especialmente si el circuito utiliza señales de alta frecuencia.

Diafonía en PCB

El término diafonía se refiere al acoplamiento electromagnético no deseado que se crea entre las trazas de una placa de circuito impreso. Una tensión o corriente excesiva que afecte a una traza puede producir efectos no deseados en otra traza, sin que las dos estén en contacto físico entre sí. Este fenómeno normalmente se produce en PCB donde las trazas no están lo suficientemente espaciadas. La explicación del fenómeno es muy sencilla. Un conductor atravesado por un flujo de cargas eléctricas genera siempre un campo electromagnético de cierta intensidad. Al aumentar la velocidad (frecuencia) de la señal, aumenta la probabilidad de que induzca el acoplamiento en una señal adyacente. Más concretamente, existen dos tipos de acoplamiento: acoplamiento inductivo (o magnético) y acoplamiento capacitivo (o eléctrico).

Cuando una corriente fluye a través de un conductor, como una traza de PCB, se genera un campo magnético. Cuando este campo alcanza una traza adyacente, induce una fuerza electromotriz (tensión) según la segunda ley de inducción de Faraday. Este fenómeno se conoce como acoplamiento magnético o inductivo y se convierte en un problema cuando la tensión inducida es suficiente para comprometer la integridad de la señal en la misma traza.

Además del campo magnético, la corriente que fluye en una traza de PCB también puede generar un campo eléctrico. Cuando este alcanza una traza adyacente, se crea un acoplamiento capacitivo, con la consiguiente degradación de la integridad de la señal. Este fenómeno también se conoce como capacidad parasitaria. La Figura 1 muestra un diagrama de ojo, una de las técnicas más comúnmente utilizadas para medir la integridad de la señal.

Figura 1: Captura de pantalla de un diagrama de ojo.

Además de las trazas adyacentes situadas en la misma capa, la diafonía puede producirse entre trazas paralelas pertenecientes a capas adyacentes. Este efecto, también conocido como acoplamiento lateral, se produce cuando las dos capas están separadas por un espesor reducido de material dieléctrico. Este espesor puede ser tan reducido como de 4 milésimas de pulgada (0,1 mm), normalmente inferior a la distancia entre dos trazas situadas en la misma capa. Como veremos enseguida, uno de los trucos que se utilizan para eliminar la diafonía consiste en mantener suficiente espacio entre las trazas que transportan señales de alta velocidad. La regla de oro dicta interponer entre trazas adyacentes un espacio como mínimo del triple de su ancho.

Técnicas de mitigación de diafonía

Si bien la diafonía no se puede eliminar por completo, se puede reducir hasta un punto en el que no ejerza un efecto significativo en la integridad de la señal. Después de ver en qué consiste la diafonía, podemos analizar las principales técnicas comúnmente utilizadas durante el diseño de PCB para mitigar este riesgo.

1. Ancho mínimo entre trazas
Al definir el diseño del PCB, es posible establecer algunas reglas en la herramienta CAD utilizada, como la distancia mínima entre dos trazas y la distancia mínima entre cada traza y los componentes presentes en la placa. También es posible establecer diferentes valores de distancia relacionados con una lista de redes en particular o con el área en la que se enrutará la lista de redes. Las aplicaciones de software de diseño de PCB a menudo incluyen funciones con las que es posible especificar el ancho y la distancia de los pares de señales diferenciales, o en qué capas del PCB se pueden enrutar las listas de redes y qué direcciones preferidas pueden tomar las trazas. En línea, también hay varias calculadoras capaces de estimar el alcance de la diafonía para trazas microstrip o stripline. La regla general a tener en cuenta es que el acoplamiento, tanto inductivo como capacitivo, disminuye al aumentar la distancia que separa las trazas.

2. Mantener perpendiculares las trazas en capas adyacentes
Las capas del PCB deben configurarse de forma que las señales que atraviesan capas adyacentes tengan direcciones perpendiculares entre sí, evitando por completo que sus trazas estén en paralelo. También suele afirmarse que, si en una capa, las trazas siguen la dirección "de norte a sur", en la capa adyacente, las trazas deben seguir la dirección "de este a oeste". Esta sencilla precaución permite minimizar los efectos del acoplamiento lateral. La Figura 2 muestra una representación gráfica de esta técnica: a la izquierda, el diseño a evitar, y a la derecha, el que hay que aplicar.

Figura 2: Alternar la dirección de las trazas en capas adyacentes.

3. Utilizar planos de tierra
Entre dos capas de señal adyacentes es una buena idea insertar un plano de tierra (o, alternativamente, un plano de potencia). Esto reduce más la probabilidad de que se produzcan acoplamientos laterales. Esta solución presenta la doble ventaja de aumentar la distancia entre las capas y proporcionar una mejor ruta de retorno a tierra requerida para las capas de señal En la Figura 3 podemos ver un PCB clásico de cuatro capas, dividido en dos capas de señal (externas), una capa interna para el plano de tierra (0V) y una capa interna para la fuente de alimentación.

Figura 3: Ejemplo de PCB multicapa (fuente: Micron).

4. Aprovechar la ruta de retorno a tierra
Aunque pueda parecer contradictorio con lo mencionado anteriormente, una técnica alternativa para la reducción de la diafonía consiste precisamente en aprovechar el paralelismo existente entre las trazas, acoplando la ruta de retorno a tierra con la señal de alta frecuencia. De hecho, dado que la ruta de retorno a tierra tiene la misma amplitud, pero dirección opuesta con respecto a la señal, los efectos se eliminan, con la consiguiente reducción de la diafonía.

5. Utilizar señales diferenciales
Otra forma de asegurar la integridad de la señal, minimizando los efectos producidos por la diafonía, es utilizar señales diferenciales, es decir, dos líneas de señal con la misma amplitud, pero polaridad opuesta, que forman una única señal de alta velocidad. Dado que en la recepción la señal se obtiene como la diferencia entre las tensiones de las dos líneas de señal, y puesto que el ruido electromagnético afecta por igual a ambas líneas, la señal mantiene una alta integridad incluso en presencia de ruido externo significativo. El consejo es mantener la mayor distancia posible entre los pares de señales diferenciales y las otras trazas de PCB. La regla de oro dicta elegir una distancia como mínimo del triple del ancho de la pista.

6. Reducir el ancho de las trazas paralelas
En todos los casos en los que no sea posible evitar el paralelismo entre trazas, es necesario asegurarse de que su ancho sea lo más corta posible, reduciendo así la extensión del acoplamiento.

7. Aislar las señales de alta frecuencia de las demás trazas
Las señales de alta frecuencia, tales como las horarias, deben viajar lo más alejadas posible de las trazas que transportan otras señales. Incluso en este caso se puede aplicar la regla de oro, eligiendo una distancia mínima igual al triple del ancho de la traza.

8. Aislar las señales asíncronas
Las señales asíncronas, tales como líneas de reajuste o interrupción, deben utilizar trazas lo más alejadas posible de las señales de alta frecuencia. Con mucha frecuencia las señales asíncronas se sitúan cerca de las líneas de potencia o cerca de señales que controlan el encendido y el apagado, ya que se trata de señales que se emplean únicamente en ciertas fases de la operación del circuito y no de forma continua.