La diafonía es un problema común en los circuitos digitales y analógicos de alta velocidad, que puede degradar la integridad de la señal e introducir ruido. Si se comprenden las causas subyacentes de la diafonía y se implementan técnicas de diseño adecuadas, es posible minimizar su impacto.
Con las crecientes demandas de circuitos digitales y analógicos de alta velocidad, el problema de la diafonía se ha convertido en una preocupación significativa. La diafonía se refiere al acoplamiento no deseado de señales entre trazas adyacentes, lo que provoca interferencias y la degradación de la integridad de la señal. Tanto las señales diferenciales como las de extremo único son susceptibles a la diafonía, por lo que es preciso tener muy en cuenta las consideraciones de diseño para minimizar sus efectos.
y obtenga un presupuesto para su proyecto de PCBAs en 10 minutos!
El funcionamiento fiable y el rendimiento de los sistemas electrónicos dependen en gran medida de la calidad de los diseños de los PCB. A medida que aumentan la complejidad y la velocidad de los circuitos, también son mayores las posibilidades de que se produzcan problemas relacionados con la diafonía. La diafonía puede provocar distorsiones de la señal, errores de temporización y errores inducidos por el ruido, que pueden afectar significativamente a la funcionalidad del sistema. Por consiguiente, es crucial comprender los fundamentos de la diafonía y desarrollar directrices eficaces para mitigar sus efectos.
Tipos de diafonía
La diafonía es el acoplamiento o interferencia no deseados entre trazas adyacentes de un PCB. Se produce cuando los campos electromagnéticos generados por una señal se propagan a una traza adyacente, afectando a la integridad de las señales implicadas. Existen dos tipos principales de diafonía: la diafonía diferencial y la diafonía de extremo único.
La diafonía está causada por varios factores y mecanismos, como la capacitancia, la inductancia y el acoplamiento electromagnético. Si las trazas discurren en paralelo o se hallan muy próximas, puede producirse capacitancia entre ellas, dando lugar a diafonía capacitiva. La diafonía inductiva puede deberse a que los campos magnéticos generados por la corriente que circula por una traza inducen una tensión en una traza adyacente. El acoplamiento electromagnético entre trazas puede producirse por inductancia mutua o capacitancia mutuas, dando lugar a diafonía tanto capacitiva como inductiva.
Diafonía diferencial
La diafonía diferencial se refiere a las interferencias entre dos trazas de un par diferencial, donde cada traza transporta una versión invertida de la misma señal. El origen principal de la diafonía diferencial es el desequilibrio entre los campos electromagnéticos generados por cada traza. Este desequilibrio puede deberse a variaciones en la longitud de las trazas, el espaciado, la impedancia y las interferencias electromagnéticas de fuentes externas. La diafonía diferencial puede provocar ruido de modo común, reducción de la oscilación de la señal y degradación de la integridad de la señal.
Diafonía de extremo único
La diafonía de extremo único se produce cuando el campo electromagnético de una señal se acopla con una traza adyacente de extremo único. Normalmente afecta a las señales de alta velocidad de extremo único y puede producirse por el acoplamiento entre trazas paralelas, trazas sin apantallar o trazas que discurren muy próximas. La diafonía de extremo único puede causar distorsión de la señal, zumbidos y un aumento de los niveles de ruido, lo que provoca errores de sincronización y corrupción de datos.
La diafonía diferencial y la diafonía de extremo único presentan características diferentes y requieren distintas consideraciones de diseño para su mitigación. La diafonía diferencial afecta principalmente a la tensión de modo común y al equilibrio entre las señales diferenciales. Puede reducirse garantizando la simetría en las longitudes de las trazas, la impedancia controlada y las técnicas de terminación adecuadas. La diafonía de extremo único, por otra parte, afecta a la amplitud y la integridad de las señales individuales. Puede minimizarse mediante el espaciado adecuado entre trazas, técnicas de apantallamiento y una colocación cuidadosa de las trazas sensibles respecto a las fuentes de ruido.
Estrategias para minimizar la diafonía
1- Colocación de los componentes
La colocación de los componentes desempeña un papel esencial en la minimización de la diafonía en los diseños de PCB. La colocación adecuada de los componentes puede ayudar a aislar los componentes sensibles de las fuentes de ruido, reducir la longitud de las trazas de alta velocidad y optimizar las rutas de señal. Debe prestarse especial atención a la disposición de los componentes para minimizar el potencial de diafonía tanto diferencial como de extremo único.
Los componentes sensibles, como los pares diferenciales de alta velocidad o las trazas de extremo único que transportan señales críticas, deben colocarse de forma estratégica para minimizar el riesgo de diafonía. Estos componentes deben colocarse lo más alejados posible de las fuentes de ruido, como generadores de impulsos, fuentes de alimentación conmutadas o circuitos digitales de alta velocidad. Mediante el aislamiento de los componentes sensibles puede reducirse la interferencia electromagnética (EMI) de las fuentes de ruido, lo que se traduce en una mejora de la integridad de la señal.
La agrupación de componentes similares puede ayudar a crear regiones específicas en el PCB, reduciendo la probabilidad de diafonía entre diferentes secciones. Al colocar los componentes relacionados muy próximos entre sí, las rutas de la señal pueden acortarse, minimizando la superficie en la que puede producirse la diafonía. Asimismo, los componentes sensibles pueden aislarse de las fuentes de ruido y las rutas de señal de alta velocidad, separándolos físicamente o utilizando trazas de protección o técnicas de apantallamiento.
2- Distancia entre trazas
La distancia entre las trazas que transportan señales diferenciales o de extremo único es crítica para minimizar la diafonía. En cuanto a los pares diferenciales, el mantenimiento de un espaciado constante entre las trazas ayuda a preservar la simetría y el equilibrio de la señal, reduciendo las posibilidades de diafonía. El fabricante del circuito integrado puede especificar el espaciado necesario o bien determinarlo mediante simulación y análisis. De la misma forma, en el caso de las señales de extremo único, el mantenimiento de un espaciado adecuado entre las trazas que discurren en paralelo puede ayudar a reducir el acoplamiento y las interferencias (Figura 1).
Figura 1: La distancia entre trazas debe ajustarse adecuadamente para minimizar la diafonía.
Además, es esencial tener en cuenta la distancia entre las trazas sensibles y los componentes o rutas de señal ruidosos. Aumentar la separación física entre estos elementos ayuda a minimizar el acoplamiento electromagnético entre ellos y reduce el riesgo de diafonía. Una planificación cuidadosa de la ubicación de los componentes y la atención al enrutamiento de las trazas pueden contribuir significativamente a lograr una integridad óptima de la señal y reducir los problemas relacionados con la diafonía.
3 - Impedancia controlada
El enrutamiento de impedancia controlada es una técnica crucial para que las señales de alta velocidad, incluidos los pares diferenciales, mantengan la integridad de la señal y minimicen la diafonía. La impedancia se refiere a la oposición al flujo de una corriente alterna en un circuito. La impedancia controlada garantiza que la impedancia de una línea de transmisión se corresponda con el valor especificado, normalmente medido en ohmios, en toda su longitud.
El ancho de la traza y el espaciado entre trazas son factores críticos para controlar la impedancia y reducir la diafonía. En el caso de los pares diferenciales de impedancia controlada, el ancho de la traza debe diseñarse para que alcance el valor de impedancia deseado. El espaciado entre las trazas también debe determinarse cuidadosamente, teniendo en cuenta la impedancia diferencial deseada y el nivel aceptable de diafonía. Los diseñadores deben consultar las recomendaciones del fabricante del circuito integrado o emplear herramientas de cálculo de la impedancia para garantizar el ancho y espaciado adecuados de las trazas.
Para mantener la simetría de la señal, es esencial hacer coincidir las longitudes de las trazas dentro de un par diferencial. Las longitudes de las trazas no coincidentes pueden introducir sesgos de temporización y degradar la integridad de la señal. El objetivo de los diseñadores debe ser conseguir la coincidencia de las longitudes dentro de una tolerancia especificada, normalmente unos pocos milímetros o menos, dependiendo de la frecuencia de la señal. Para compensar las diferencias de longitud y garantizar la igualdad de los retardos de propagación de las señales diferenciales, pueden emplearse técnicas como el encaminamiento serpenteante o los meandros.
4 – Plano de tierra
La toma de tierra es un aspecto crítico en el diseño de PCB para minimizar el ruido, las interferencias y la diafonía. Los planos de tierra sirven como referencia de baja impedancia para las señales y ayudan a proporcionar una referencia de tierra estable en todo el PCB. Un plano de tierra sólido por debajo de las trazas de señal ayuda a reducir el acoplamiento de campos electromagnéticos, disminuyendo el potencial de diafonía. Los diseñadores deben asignar espacio suficiente para los planos de tierra, asegurándose de que sean continuos, ininterrumpidos y estén conectados a la referencia general de tierra del sistema.
Para minimizar la diafonía, es esencial que exista una separación adecuada entre las líneas de señal y de tierra. Las trazas de tierra deben colocarse entre las trazas de señal o capas de señal para proporcionar apantallamiento y aislamiento. De este modo se contribuye a evitar el acoplamiento electromagnético entre señales adyacentes y se reduce el riesgo de diafonía. Debe mantenerse un espaciado adecuado y un cuidadoso enrutamiento de las trazas de señal y de tierra para minimizar la capacitancia y la inductancia entre ellas.
Pueden emplearse trazas de protección y técnicas de apantallamiento para reducir aún más el impacto de la diafonía. Las trazas de protección, también conocidas como anillos de protección, se colocan alrededor de circuitos analógicos sensibles o de alta impedancia para minimizar el ruido y las interferencias. Actúan como un escudo, evitando que los campos electromagnéticos externos se acoplen con las trazas sensibles. También pueden utilizarse técnicas de apantallamiento, como los apantallamientos conectados a tierra o las latas metálicas, para aislar los componentes sensibles o las rutas de señal críticas de las fuentes de ruido externas.
5 – Condensadores de derivación
Los condensadores de desacoplamiento desempeñan un papel fundamental en la reducción del ruido y la diafonía de la fuente de alimentación. Proporcionan una ruta de baja impedancia a tierra para el ruido de alta frecuencia, ayudando a estabilizar la tensión de la fuente de alimentación y a mitigar los efectos potenciales de la diafonía. Los condensadores de desacoplamiento deben colocarse muy cerca de los pines de alimentación y tierra de los circuitos integrados que van a desacoplar. Se debe tener cuidado de minimizar la longitud de la traza entre los condensadores y los circuitos integrados para minimizar la inductancia parásita y maximizar su eficacia.
6 - Análisis y simulación del diseño
La realización de un análisis y una simulación previos al diseño es un paso crucial para mitigar la diafonía. Mediante el uso de software de diseño de PCB y herramientas de simulación electromagnética avanzados, los diseñadores pueden analizar los potenciales problemas de diafonía antes de finalizar el diseño del PCB. La simulación ayuda a identificar las zonas críticas propensas a la diafonía, a evaluar la integridad de la señal y la eficacia de las distintas técnicas de mitigación. Por medio de la simulación de varios escenarios y la optimización del diseño en función de los resultados, los diseñadores pueden abordar de forma proactiva los problemas de diafonía.
Una vez completado el diseño del PCB, deben realizarse análisis y validaciones posteriores al diseño para verificar la eficacia de las técnicas de mitigación de la diafonía implementadas. Pueden realizarse análisis de integridad de la señal, diagramas de ojo (Figura 2) y mediciones de reflectometría en dominio de tiempo (RDT) para evaluar el rendimiento de señales críticas y determinar el nivel de de reducción de la diafonía alcanzado. Cualquier problema identificado puede abordarse mediante modificaciones del diseño o medidas de mitigación adicionales.
Figura 2: Diagrama de ojo (Fuente: Tektronix)
7 - Diseño del Apilamiento
La elección del apilamiento de capas de señal en un diseño de PCB puede tener un impacto significativo en la diafonía y la integridad de la señal. El apilamiento de capas determina la disposición y el orden de los planos de señal, tierra y potencia en el PCB. Los diseñadores deben considerar los siguientes factores a la hora de diseñar el apilamiento de las capas de señal:
- Separación de señales sensibles: Las señales críticas, como los pares diferenciales de alta velocidad o las señales analógicas, deben colocarse en capas separadas para minimizar la diafonía. Al aislar estas señales de las señales digitales ruidosas o de alta velocidad, puede reducirse el riesgo de interferencias y diafonía.
- Colocación del plano de referencia: Los planos de tierra y potencia deben colocarse adyacentes a las capas de señales para proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia y minimizar el acoplamiento entre señales. El uso de planos de tierra sólidos ayuda a apantallar las señales sensibles y a reducir las interferencias electromagnéticas.
- Consideraciones sobre impedancia controlada: El apilamiento de capas debe diseñarse para lograr la impedancia controlada deseada para las señales de alta velocidad. La impedancia característica de las líneas de transmisión se ve directamente afectada por la elección de materiales dieléctricos y sus espesores entre las capas de señal y los planos de referencia.
- Colocación de las vías y trozos: La colocación de las vías (Figura 3) y la gestión de los trozos desempeñan un papel fundamental en la minimización de la diafonía. Las vías que conectan trazas de señal entre capas deben colocarse lo más cerca posible de las almohadillas de origen y destino. Al minimizar la longitud de las vías y los trozos, puede reducirse el potencial de diafonía. Asimismo, es esencial terminar o eliminar adecuadamente los trozos para evitar reflexiones e interferencias no deseadas.
Figura 3: La colocación de las vías puede ayudar a reducir la diafonía
8 - Herramientas de simulación y análisis
Las herramientas de simulación y análisis son esenciales para identificar y mitigar los problemas de diafonía en los diseños de PCB. Estas herramientas permiten a los diseñadores predecir y evaluar la integridad de la señal, valorar los efectos de la diafonía y optimizar el diseño en aras de un mejor rendimiento. Estas herramientas de simulación incluyen:
- Las herramientas de simulación de campos electromagnéticos, como el método de los elementos finitos (FEM) o el dominio del tiempo por diferencias finitas (FDTD), permiten a los diseñadores visualizar y analizar el comportamiento electromagnético de las señales en un PCB. Al identificar las áreas críticas de alta diafonía, los diseñadores pueden modificar el diseño, ajustar el enrutamiento o emplear técnicas de apantallamiento para mitigar la diafonía.
- Las herramientas de análisis de integridad de la señal ayudan a evaluar la calidad de las señales, valorar el impacto de la diafonía y predecir posibles problemas de integridad de la señal. Estas herramientas analizan parámetros tales como métricas de integridad de la señal, diagramas de ojo y presupuestos de temporización con el fin de garantizar el correcto funcionamiento de las señales de alta velocidad.
- Las herramientas de análisis de diafonía se centran específicamente en identificar y cuantificar los efectos de la diafonía en los diseños de PCB. Estas herramientas simulan el acoplamiento de señales, realizan una estimación del nivel de interferencia y evalúan el impacto en la calidad de la señal.
Conclusión
La diafonía es un desafío persistente en los diseños de PCB, especialmente a medida que avanza la tecnología y aumenta la demanda de mayores velocidades y densidades. No obstante, con una exhaustiva comprensión de los mecanismos de diafonía y la aplicación de técnicas de mitigación eficaces, los diseñadores pueden garantizar una integridad fiable de la señal y un rendimiento óptimo de sus diseños.
18.12.2023
