Introducción: Una pregunta que la mayoría de los ingenieros nunca hacen
en el mundo de Diseño de PCB de alta velocidad, control de impedancia is a topic that everyone talks about, sin embargo, pocos realmente dominan. Todo ingeniero de diseño sabe que una discontinuidad de impedancia inesperada en una ruta de señal es una mala noticia.. We all want our PCB de alta velocidad links to maintain a steady, Impedancia constante de principio a fin. 50 ohmios para un solo extremo o 100 diferencial de ohmios para trazas diferenciales.
Pero la realidad nunca es tan simple. Una ruta completa de señal de alta velocidad incluye no solo trazas sino también vías., conectores, cables, Condensadores de acoplamiento de CA, bolas de soldadura BGA, y otras estructuras. Cada uno de estos introduce una posible discontinuidad de impedancia.. por un lado, invertimos un importante esfuerzo en la optimización. Por otro lado, Debemos aceptar que las discontinuidades afectarán inevitablemente hasta cierto punto el rendimiento del enlace de alta velocidad..
Sin embargo, hay una pregunta que la mayoría de los ingenieros nunca han considerado seriamente.:
Si su enlace debe tener un punto bajo de impedancia, y podrías elegir dónde colocarlo, ¿dónde lo pondrías??
Cerca del transmisor? Cerca del receptor? Justo en el medio? ¿Hace alguna diferencia??
Hoy, Responderemos esta pregunta con datos de simulación de un enlace de 25 Gbps..
1. La naturaleza física de la discontinuidad de la impedancia
Antes de sumergirnos en la simulación, Necesitamos entender por qué la discontinuidad de la impedancia degrada la calidad de la señal..
La impedancia característica de una línea de transmisión está determinada por su inductancia y capacitancia por unidad de longitud.:
Dóndel es la inductancia por unidad de longitud ydo es capacitancia por unidad de longitud. Cuando una señal encuentra un cambio de impedancia a lo largo de la línea de transmisión, Una parte de la energía de la señal se refleja de regreso a la fuente.. El coeficiente de reflexión viene dado por:
DóndeZL es la impedancia de carga yZ0 es la impedancia característica. CuandoZL ≠Z0, C ≠ 0, y se produce la reflexión.
Para estructuras de microcinta, la impedancia característica sigue el estándar IPC-2141:
Donde ε*r* es la constante dieléctrica del material del tablero., h es el espesor dieléctrico, yW. es el ancho de rastreo. Cualquier cambio en el ancho de la traza, discontinuidad del plano de referencia, o la variación en la constante dieléctrica altera directamente la impedancia instantánea.
Según IPC-2251, un diseño entra en el “de alta velocidad” dominio cuando el tiempo de subida de la señal es lo suficientemente corto como para que la línea de transmisión deba tratarse como un elemento de parámetro distribuido en lugar de un elemento agrupado. IPC-2251 establece además que cuando la longitud de la traza excede la longitud crítica (generalmente una décima parte de la distancia de propagación de la señal durante el tiempo de subida), el diseño de impedancia controlada se vuelve obligatorio.. A 25 Gbps, Los tiempos de subida de la señal suelen oscilar entre 20 a 30 picosegundos, y la longitud crítica es sólo aproximadamente 3 a 5 milímetros. Esto significa que casi todos los rastros requieren una gestión cuidadosa de la impedancia..
IPC-2141 especifica que la desviación de impedancia en los canales de PCB de alta velocidad debe mantenerse dentro de 5%, con canales críticos que requieren 3% o mejor. Sin embargo, IPC-2141A también reconoce que eliminar por completo las discontinuidades de impedancia en diseños del mundo real no es práctico: vía, conectores, y las almohadillas introducen inherentemente capacitancia e inductancia parásitas.
2. Configuración de simulación: Un enlace de 5 pulgadas y 25 Gbps
Para responder a la pregunta de dónde colocar un punto bajo de impedancia, construimos un de 5 pulgadas (aproximadamente 127 milímetros) enlace de transmisión de alta velocidad que funciona a 25 Gbps.
Caso de referencia: Primero establecimos un enlace ideal sin discontinuidad de impedancia: todo el enlace era una línea de transmisión diferencial perfecta de 100 ohmios.. Asignamos modelos activos a los chips transmisores y receptores.. El transmisor envió un PRBS de 25 Gbps (secuencia binaria pseudoaleatoria) patrón a través del enlace de 5 pulgadas al receptor.
El resultado de la simulación.: El diagrama ocular de referencia mostró una altura ocular de 360 mV. Tenga en cuenta este número: sirve como nuestro “puntuación perfecta” referencia para todas las comparaciones posteriores.
Casos de prueba: Luego introdujimos un punto bajo de impedancia fija en el enlace. (simulando la caída de impedancia causada por una vía o conector). Colocamos este punto bajo en cuatro posiciones diferentes.: 1 pulgada, 2 pulgadas, 3 pulgadas, y 4 pulgadas del transmisor. Todos los demás parámetros del enlace permanecieron idénticos..
3. Resultados de la simulación: La diferencia de posición es asombrosa
Los resultados de la simulación para las cuatro posiciones se resumen a continuación.:
| Posición del punto bajo de impedancia | Altura del ojo del receptor |
|---|---|
| Sin punto bajo (base) | 360 mV |
| 1 pulgadas desde el transmisor | 186 mV |
| 2 pulgadas del transmisor | 249 mV |
| 3 pulgadas del transmisor | 271 mV |
| 4 pulgadas del transmisor | 298 mV |
Interpretación de datos:
- 1-posición en pulgadas: La altura de los ojos cayó desde 360 mV a 186 mV — a48.3% reducción. La señal perdió casi la mitad de su margen..
- 2-posición en pulgadas: La altura de los ojos se recuperó hasta 249 mV — a33.9% mejora sobre la caja de 1 pulgada.
- 3-posición en pulgadas: Altura de los ojos alcanzada 271 mV — a45.7% mejora sobre la caja de 1 pulgada.
- 4-posición en pulgadas: Altura de los ojos alcanzada 298 mV — a60.2% mejora sobre la caja de 1 pulgada, y1.6 veces la altura de los ojos en el peor de los casos.
El mismo punto bajo de impedancia, colocados en diferentes posiciones a lo largo del enlace, produjo resultados de diagrama de ojo drásticamente diferentes. Este resultado probablemente supera la intuición de la mayoría de los ingenieros..
4. ¿Por qué sucede esto?? Los mecanismos físicos
¿Por qué la misma discontinuidad de impedancia causa efectos tan diferentes cuando se coloca cerca del transmisor o cerca del receptor?? Varios mecanismos físicos están en juego.:
1. Superposición de reflexión múltiple
Cuando una señal encuentra un punto bajo de impedancia, una parte de su energía se refleja hacia el transmisor. Esta onda reflejada regresa, se refleja de nuevo en el transmisor, y luego se propaga hacia adelante para superponerse con los símbolos de señal posteriores. Si el punto bajo de impedancia está cerca del transmisor, el retraso de ida y vuelta es corto, y la onda reflejada se superpone rápidamente con los siguientes bits de datos, causando severa interferencia entre símbolos (ISI). Según las pautas de integridad de la señal IPC-2251, la pérdida de retorno debe mantenerse por debajo -20 dB para minimizar el impacto de la reflexión.
2. Acumulación de atenuación de señal
Cuando una señal se propaga a lo largo de una línea de transmisión., sufre pérdida de ambos conductores (efecto piel) y pérdida dieléctrica. La profundidad de la piel está dada por:
Donde ω es la frecuencia angular, μ es permeabilidad, y σ es conductividad. En frecuencias de gigahercios, la profundidad de la piel es de sólo unos pocos micrómetros, y la pérdida del conductor aumenta dramáticamente. Cuanto más viaje la señal antes de alcanzar la discontinuidad de impedancia, cuanta más energía ya ha perdido- y menos energía queda para reflejarse y causar interferencia.
Esta es la razón por la cual un punto bajo de impedancia colocado más lejos del transmisor (después de que se haya producido una mayor atenuación de la señal) tiene un impacto menor en el diagrama del ojo.La discontinuidad en sí no ha cambiado; la señal que llega a él simplemente tiene menos “fortaleza” izquierda.
3. Tiempo de subida y superposición temporal de reflexiones
Cuanto más corto sea el tiempo de subida de la señal, Es más probable que las ondas reflejadas se superpongan con la señal principal en el dominio del tiempo.. A 25 Gbps, el intervalo unitario (Ui) es solo 40 picosegundos. Cualquier retraso en la reflexión puede causar interferencias dentro del mismo símbolo o dentro de símbolos adyacentes.. Cuando el punto bajo de impedancia está cerca del transmisor, Las ondas reflejadas regresan rápidamente y se superponen más severamente con los símbolos posteriores..
5. Implicaciones de diseño: ¿Dónde debería colocar las discontinuidades de impedancia??
Basado en los resultados de la simulación y el análisis físico anteriores, podemos derivar las siguientes pautas de diseño:
Principio 1: Si no puedes eliminar una discontinuidad, colóquelo lo más cerca posible del receptor.
Los datos de simulación muestran claramente que mover una discontinuidad de impedancia desde cerca del transmisor hasta cerca del receptor en un enlace de 25 Gbps puede mejorar la altura de los ojos desde 186 mV a 298 mV— una brecha de desempeño de 60% para el mismo punto bajo de impedancia, basado puramente en la ubicación.
Principio 2: Priorizar la continuidad de la impedancia cerca del transmisor.
El área cercana al transmisor es donde la señal tiene más energía.. Cualquier discontinuidad de impedancia aquí causa reflexiones con el mayor potencial destructivo.. Por lo tanto, Componentes que pueden introducir discontinuidades de impedancia, como las almohadillas BGA., vías, y condensadores de acoplamiento de CA: deben colocarse lo más lejos posible del transmisor. Alternativamente, aplique retroperforación a las vías cercanas al transmisor y optimice las dimensiones anti-pad.
Principio 3: Utilice la simulación para guiar la colocación.
Diferentes velocidades de datos y diferentes longitudes de enlace pueden producir diferentes posiciones óptimas para las discontinuidades de impedancia.. Durante la fase de diseño, Utilice herramientas de simulación SI como HyperLynx para realizar barridos de parámetros y evaluar cuantitativamente el margen ocular para diferentes opciones de ubicación.. Deje que los datos guíen sus decisiones.
Principio 4: Preste atención al perfil de impedancia de todo el enlace..
IPC-2141 enfatiza que el control de impedancia no se trata solo de alcanzar un valor objetivo, sino de mantener la continuidad instantánea de la impedancia a lo largo de toda la ruta de la señal.. Utilice TDR (reflectometría en el dominio del tiempo) to perform impedance profiling of your tarjeta de circuito impreso and identify all discontinuity locations and their magnitudes. Siga IPC-TM-650 2.5.5.7a para conocer los procedimientos de prueba de impedancia característica..
6. Conclusión
Las discontinuidades de impedancia son una realidad inevitable en el diseño de PCB de alta velocidad. Pero como ha demostrado nuestro experimento de simulación: el mismo punto bajo de impedancia, colocados en diferentes posiciones a lo largo del enlace, puede tener efectos que van desde “catastrófico” a “aceptable” – y la diferencia entre esos resultados puede determinar si un proyecto de 25 Gbps tiene éxito en el primer giro o requiere tres revisiones de la placa.
La próxima vez deberás colocar una vía, un conector, o un condensador en un diseño de PCB de alta velocidad, tómate cinco minutos más para preguntarte: ¿Esta discontinuidad de impedancia está realmente en el lugar correcto??
Por supuesto, el escenario ideal es siempresin discontinuidad de impedancia en absoluto. Pero en el mundo real, cuando “perfección” es inalcanzable, “elegir la posición correcta” es la mejor solución posible.
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Fuentes de datos:
- IPC-2141AGuía de diseño para placas de circuitos de impedancia controlada de alta velocidad, IPC - Asociación que conecta las industrias electrónicas
- IPC-2251Guía de Diseño para el Empaquetado de Circuitos Electrónicos de Alta Velocidad, IPC - Asociación que conecta las industrias electrónicas
- IPC-TM-650 2.5.5.7aMétodos de prueba de impedancia característica, IPC - Asociación que conecta las industrias electrónicas
- Los datos de simulación de este artículo se basan en un modelo de simulación de enlace activo de 25 Gbps que utiliza el patrón PRBS., 5-línea de transmisión FR-4 en pulgadas, 100-impedancia diferencial de ohmios.
