Guía práctica de integridad de señal en PCB rígidas de alta velocidad

Hablamos mucho de integridad de señal, pero ¿qué es exactamente? ¿Tiene que ver con los parámetros de la señal o con los del sistema? Dicho de forma sencilla, cuando una señal viaja por un cable o por una línea de transmisión, algunos de sus parámetros cambian entre el punto donde se transmite y el punto donde se recibe. En las señales de alta velocidad, las pérdidas son todavía mayores, y eso provoca pérdida de datos y señales corruptas. Entonces, ¿qué tipo de señal se ve afectada y cómo cambia? En este artículo verás los cuatro fenómenos principales que hacen que una señal cambie sus propiedades durante la transmisión.

En cuanto a qué tipo de señal se ve afectada: en alta frecuencia hablamos de ceros y unos que conmutan a mucha velocidad. Si un 0 se convierte en 1 o un 1 en 0, se pierden datos. Es cierto que existen técnicas de corrección de errores, pero eso es tema para otro día. Para resolver este problema hay que tener en cuenta factores como el diseño del apilado de capas y el control de impedancia. Con dispositivos cada vez más pequeños, la integridad de señal es más crítica, y mantener las conexiones cortas ayuda a reducir los efectos parásitos. En este artículo verás los fundamentos de la integridad de señal, algunas estrategias de layout y formas de reducir al mínimo estos problemas.

Fundamentos de la integridad de señal

A baja frecuencia, las pistas actúan como simples conexiones. Sin embargo, a alta frecuencia esas mismas pistas se comportan como líneas de transmisión, y aparecen oscilaciones (ringing), reflexiones, diafonía y otros efectos no deseados. Para que los CI de alta velocidad se comuniquen de forma fiable, hay que mantener una buena integridad de señal.

Hay varios factores, de distintos tipos, que pueden degradar la calidad de una señal en una placa de circuito impreso. Todos ellos los tratamos también en otros artículos del blog. Estas son las cuatro causas principales de una mala integridad de señal que debes tener en cuenta:

1) Interferencias electromagnéticas (EMI)

Las EMI son interferencias provocadas por señales eléctricas no deseadas. Si las transmisiones de alta velocidad no se controlan bien, pueden generar interferencias electromagnéticas y pérdidas de señal. En esencia, es una especie de efecto antena: la interferencia electromagnética de un chip afecta a otro, y así sucesivamente en todo el diseño. Una de las causas habituales de este problema es que falten caminos de retorno adecuados. Si quieres saber más, consulta nuestro artículo en profundidad sobre EMI.

2) Acoplamiento electromagnético no deseado (diafonía)

Cuando las pistas van muy juntas, las señales pueden interactuar sin querer y producir diafonía (crosstalk), de modo que una señal interfiere en otra. Imagina dos conversaciones al lado: si las personas están demasiado cerca, se distraen porque oyen lo que dicen las otras. Algo parecido pasa cuando las pistas de una placa están demasiado juntas: una señal puede «oír» sin querer a la otra.

3) Ruido de conmutación simultánea (ground bounce)

Cuando en una placa hay muchos componentes que pasan a la vez de nivel alto a nivel bajo, la tensión puede no volver al potencial de masa como debería al pasar a nivel bajo. Si la tensión del nivel bajo «rebota» demasiado, ese nivel bajo puede interpretarse por error como un nivel alto. Si esto ocurre en muchas señales al mismo tiempo, el circuito puede fallar y producir conmutaciones erróneas o duplicadas.

4) Desadaptación de impedancia

La desadaptación de impedancia se produce cuando la impedancia característica varía a lo largo de una pista o entre la pista y lo que hay conectado en sus extremos. Es especialmente importante en las señales de alta velocidad que entran o salen de un circuito integrado. Esa diferencia provoca reflexiones de la señal, que a su vez la distorsionan. Si quieres saber más, consulta nuestro artículo en profundidad sobre la desadaptación de impedancia.

¿Cuándo debes preocuparte por la integridad de señal?

En teoría, cualquier diseño tiene algún problema de integridad de señal, pero salvo que trabajes con señales digitales de alta velocidad, normalmente no afectan al funcionamiento del producto ni generan un ruido excesivo. No todas las PCB necesitan diseñarse con técnicas de alta velocidad. Para saber si tu diseño entra en esta categoría, comprueba si se cumple alguna de estas condiciones:

• El contenido máximo de frecuencia (Fm) supera los 50 MHz

• El tiempo de subida/bajada más rápido (Tr) es inferior a 10 ns

• La velocidad de transferencia de datos supera los 20 Mbps

• Para relacionarlos, usa la aproximación Fm ≈ 0,5/Tr

Cómo medir la integridad de señal

Hay varias pruebas para evaluar la integridad de señal, pero en los sistemas digitales dos de las más importantes son la medición de parámetros S con un analizador de redes vectorial (VNA) y el diagrama de ojo con una secuencia de bits de prueba estándar. Normalmente, el diagrama de ojo y el cálculo de la tasa de error de bit se hacen con un osciloscopio, aunque algunos VNA también pueden generar diagramas de ojo.

Para evaluar los canales digitales, el diagrama de ojo y la tasa de error de bit que se extrae de él son fundamentales. Ofrecen una valoración global que permite cuantificar las pérdidas, la interferencia entre símbolos (ISI) causada por las reflexiones, el jitter y la necesidad de ajustar la ecualización.

Análisis del diagrama de ojo

El diagrama de ojo es la forma de ver la integridad de señal en un sistema real. Se obtiene superponiendo en el osciloscopio muchos periodos de bit de la señal recibida, de modo que todas las transiciones entre ceros y unos quedan dibujadas una encima de otra y forman una figura con forma de ojo. ¿Qué tipo de ojo sale? ¿Cómo se mide y se calcula la integridad de señal a partir de él? Todas estas preguntas las respondemos en un artículo reciente sobre diagramas de ojo.

Aquí basta con decir que cuanto más distorsionada está la señal, más cerrado se ve el ojo. Si la señal llega prácticamente igual que se transmitió, el ojo aparece bien abierto. En el diagrama anterior puedes ver los dos casos.

Cómo resolver los problemas de integridad de señal

Para mantener la integridad de señal es clave definir bien la masa y mantenerla cerca de las líneas críticas durante el ruteado. La mayoría de los problemas de EMI y de integridad de señal se pueden resolver con un buen diseño del apilado, eligiendo bien los planos de alimentación y de masa y definiendo correctamente las capas de señal. Un apilado bien diseñado también mejora mucho la integridad de la alimentación.

Una configuración habitual combina capas de masa, de alimentación y de señal alternadas. Un camino de retorno de baja impedancia, con una impedancia de pista bien definida y la masa cerca de las señales, no solo evita reflexiones, sino que también reduce la emisión y la recepción de EMI y protege frente a las señales de otras capas. Aquí tienes algunas pautas rápidas para resolver el problema:

• Usa recorridos cortos y directos para las señales de alta velocidad.

• Evita los ángulos agudos en el ruteado de las pistas para reducir las variaciones de impedancia.

• Usa planos de masa continuos debajo de las capas de señal para tener caminos de retorno estables.

• Iguala la longitud de los pares diferenciales para reducir el desfase (skew).

• Reduce al mínimo los cambios de capa y usa microvías cuando sea posible.

Conclusión

En resumen, a medida que evolucionan los sistemas electrónicos, la integridad de señal seguirá siendo clave para el rendimiento de las PCB rígidas, sobre todo en los diseños de alta velocidad. Si controlas bien la impedancia, reduces las reflexiones, limitas la diafonía y eliges los materiales adecuados, podrás garantizar conexiones rápidas y fiables en tus diseños.

Trabajar con un fabricante profesional como JLCPCB, que ofrece fabricación de PCB con impedancia controlada y apilados para alta velocidad, aumenta mucho las posibilidades de que el diseño funcione a la primera. Incluso puedes usar la calculadora de impedancia gratuita de JLCPCB para optimizar tu diseño antes de fabricarlo.

Si incorporas el análisis de integridad de señal al principio del diseño de la PCB, tus dispositivos funcionarán mejor, serán más fiables y llegarán antes al mercado. Los datos corruptos, una tasa de error de bit (BER) elevada o el incumplimiento de las normas de compatibilidad electromagnética (CEM) son señales claras de una mala integridad de señal.