Nuestras sugerencias para el diseño de PCB de alta velocidad

En los últimos años, hemos sido testigos de una continua evolución ascendente de los dispositivos electrónicos, cada vez más ricos en nuevas funciones, más rápidos y con un tamaño extremadamente compacto. Los dispositivos electrónicos pertenecientes a generaciones anteriores utilizaban señales de control, datos y reloj con frecuencias más bajas, amplitudes pico a pico más altas y mejores márgenes de inmunidad al ruido; en otras palabras, su diseño resultaba más sencillo. Se depositaba menor énfasis en aspectos que revisten una importancia primordial en la actualidad, como el control de impedancia, las terminaciones de línea, la diafonía y la integridad de la señal. Hoy en día, todo diseñador de hardware debe considerar los aspectos relacionados con las señales de alta frecuencia a partir del desarrollo inicial de la PCB. Una placa de circuito impreso para señales de alta frecuencia tiene una alta densidad de componentes muy integrados, por lo que es obligatorio el uso de placas multicapa capaces de reducir la interferencia cruzada entre señales e inductancias parásitas, así como de mejorar las conexiones a tierra.

PCB de alta velocidad

No todas las placas de circuito impreso que funcionan con señales digitales deben considerarse necesariamente PCB de alta velocidad. En muchos casos, de hecho, es suficiente con seguir las reglas y convenciones estándar relacionadas con la definición del diseño: posicionamiento y orden de componentes electrónicos, definición de capas de señal, planos de potencia y tierra, adición de vías necesarias y enrutamiento manual o automático de las pistas. Una PCB para señales de alta frecuencia, por otro lado, requiere un diseño preciso y específico, capaz de garantizar la integridad de la señal en todas las condiciones de funcionamiento. Esta es una de las razones por las que los fabricantes de componentes de alta densidad y alta frecuencia (FPGA, GPU, SoC y módulos de RF) diseñan y suministran ellos mismos la placa de evaluación del producto. Como regla general, una PCB se puede considerar de "alta velocidad" cuando el cambio de señal se produce en frecuencias del orden de megahercios o gigahercios. En estos casos, es necesario adoptar reglas específicas para el diseño de PCB, que se suman a las básicas, comunes a todo tipo de placas de circuito impreso:

• contener el ruido generado por la red de distribución de energía (especialmente en presencia de fuentes de alimentación conmutadas);
• reducir los fenómenos de diafonía entre trazas adyacentes. Cuando la frecuencia de la señal es alta, los fenómenos de diafonía capacitiva se generan fácilmente ya que las corrientes inducidas tienen una impedancia capacitiva;
• reducir los efectos producidos por el rebote de la referencia de tierra (rebote de tierra). Estos efectos, directamente relacionados con el problema de la integridad de la señal, se reducen definiendo adecuadamente el apilamiento de la PCB y desacoplando las diversas piezas que la integran (por ejemplo, la separación entre las áreas lógica y analógica);
• tratar de obtener la mejor adaptación de impedancia posible;
• eliminación del timbre transitorio, a menudo causado por pistas demasiado estrechas;
• proporcionar la terminación correcta para cada línea de señal. Este aspecto, junto con el control de las impedancias de entrada, carga y transmisión, permite eliminar el reflejo de señal;
• alto grado de inmunidad a las interferencias electromagnéticas (IEM), tanto conducidas como radiadas.

Directrices de diseño

Un primer aspecto de diseño a considerar se refiere al control de impedancia. El tiempo de subida crítico de una PCB de alta frecuencia, del orden de unos pocos nanosegundos, representa el tiempo mínimo de conmutación por debajo del cual ninguna señal presente en la placa puede bajar. Este tiempo depende de la diferencia de impedancia existente entre los extremos de cada pista, cuanto más alta es la pista. Si las trazas de PCB no son muy cortas, se debe realizar un ajuste de impedancia para cada pista durante el enrutamiento, al objeto de eliminar los reflejos de señal. En cualquier caso, incluso para trazas cortas, es necesario preservar la integridad de la señal, objetivo que se puede conseguir mediante una adecuada terminación de las líneas y una correcta definición del apilado. Hay dos técnicas principales de terminación: terminación de origen o en fuente y la terminación final. Como se muestra en la Figura 1, la terminación de origen o en fuente se basa en la conexión de una resistencia en serie a la línea de transmisión, colocada lo más cerca posible de la fuente. El valor R_S de la resistencia en serie de terminación debe cumplir la condición: R_D + R_S = Z₀, donde R_D es la impedancia de salida de la línea y Z₀ es la impedancia de la línea de transmisión. Esta técnica elimina los reflejos, ya que la onda reflejada se absorbe en el camino de regreso a la fuente. La terminación final, por otro lado, usa una resistencia en una configuración pull-up o pull-down colocada en el punto final de la línea de transmisión. El valor de la resistencia debe coincidir con el de la línea de transmisión.

Figura 1: Los dos métodos de terminación de señales.

Es muy importante la elección de los materiales y la definición del apilamiento de PCB. En general, se puede utilizar un material de sustrato de bajo coste y ampliamente adoptado, como el FR-4, para frecuencias por debajo de un gigahercio. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la velocidad con la que se mueve una señal en la PCB depende de la constante dieléctrica del material específico. Si esta constante (Dk) varía con la frecuencia, diferentes componentes de la señal llegarán a la carga en diferentes instantes de tiempo, dando lugar a distorsiones de la señal. Por este motivo, se utilizan materiales específicos como los laminados Rogers para frecuencias superiores a 1 GHz, capaces de garantizar el mismo valor de constante dieléctrica en el rango de frecuencia entre 0 y más de 15 GHz, además de una excelente disipación térmica.

En cuanto al apilamiento de una PCB multicapa de alta frecuencia, es necesario ante todo colocar las señales de alta frecuencia en las capas más internas, adyacentes a un plano de referencia (tierra o fuente de alimentación), de manera que proporcione un escudo frente a la radiación procedente del exterior. A continuación, evite colocar dos señales de alta frecuencia en dos capas adyacentes: inserte siempre un plano de referencia como separador entre ellas. Los planos de tierra y de potencia deben estar separados; posiblemente, proporcione más planos de tierra para reducir la impedancia y la radiación de modo común. La Figura 2 muestra un ejemplo de una pila de PCB de seis capas para señales de alta frecuencia. La máscara de soldadura ayuda a reducir el valor de impedancia, mientras que en los planos dieléctricos se utilizan materiales y sustratos como Rogers o similares.

Figura 2: Ejemplo de un apilamiento de 6 capas.

Deben tomarse precauciones especiales al definir el trazado de las pistas o el enrutamiento. Para reducir la diafonía, primero debe aumentarse la distancia que separa las pistas de la señal tanto como sea posible, colocándolas cerca del plano de tierra. Además, asegúrese de que la distancia entre los centros de dos pistas adyacentes sea al menos cuatro veces el ancho de la pista. Las líneas de reloj deben ser perpendiculares, en lugar de paralelas, a las líneas de señal y deben terminar correctamente para minimizar los reflejos. Para reducir el acoplamiento, las señales de un solo extremo deben colocarse en capas diferentes y perpendiculares.

Para mejorar la integridad de la señal, las trazas deben ser rectas y lo más cortas posible. Si se van a utilizar pistas curvas, utilice arcos de 45°, evitando los ángulos rectos. Las señales de reloj deben colocarse en una sola capa (si esta es interna, debe estar entre dos planos de referencia), terminadas correctamente para minimizar los fenómenos de reflexión y estar libres de vías ya que estas pueden producir variaciones de impedancia y reflejos. El plano de tierra también debe colocarse lo más cerca posible de la capa exterior para reducir el ruido. Si las trazas transportan señales diferenciales en lugar de señales de terminación sencilla, se debe mantener la misma distancia entre las trazas de los pares diferenciales, y estos deben tener siempre la misma longitud.

Finalmente, para reducir el rebote de tierra, se pueden utilizar varias técnicas, que incluyen:

• uso de trazas cortas y anchas entre las vías y las almohadillas del condensador;
• mantener las trazas entre las clavijas de alimentación y el plano de la fuente de alimentación lo más cortas y anchas posible para reducir la impedancia y la caída de tensión;
• conectar individualmente cada clavija o vía tierra al plano de tierra, evitando conexiones en cadena;
• agregar condensadores de desacoplamiento para cada par de señales V_CC/GND, colocándolos cerca de las clavijas asociadas. Además, elija condensadores con ESR y ESL bajos para minimizar la inductancia;
• las señales de E/S de uso general nunca deben dejarse abiertas o flotantes, sino configuradas como señales de salida llevadas a tierra o a V_CC.

Conclusión

Para garantizar la integridad de la señal, una alta compatibilidad electromagnética y una gestión térmica correcta en todas las condiciones de funcionamiento, las PCB para señales de alta frecuencia deben diseñarse eligiendo correctamente los materiales adecuados y definiendo el apilamiento, el enrutamiento de las trazas y los planos de tierra, potencia y señal.