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Optimizar el diseño de las rutas en señales de alta velocidad

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De la traza a la interconexión: Martin Keenan, director técnico de AVNET Abacus, ofrece una guía rápida para optimizar el diseño de las rutas en señales de alta velocidad.

Optimizar el diseño de las rutas en señales de alta velocidad

Los diseñadores de cualquier tipo de equipo, desde gateways IoT y dispositivos edge a servidores de centros de datos y tarjetas de infraestructura de red, se enfrentan al desafío de mover muchos datos a gran velocidad dentro, a través y fuera de sus sistemas.

Los actuales circuitos integrados de alta velocidad a un precio asequible permiten a los diseñadores adaptar fácilmente las velocidades de sistema a la hora de responder a la demanda de los usuarios finales. En teoría, en la placa y a lo largo de las interconexiones del sistema, los efectos como el ruido de modo común, la diafonía y las pérdidas por impedancias y resonancias en el camino de las señales, pueden suponer un reto para la integridad de las señales a velocidades Gbit/s y superiores.

Las causas de estos efectos no deseados incluyen acople, fuentes de ruido externas y las características físicas de las interconexiones. Aunque suelen ser insignificantes a velocidades inferiores, hay que tener más cuidado al diseñar y organizar las rutas y así gestionar señales de alta velocidad.

La creciente adopción de esquemas de codificación de alta velocidad promete mantener la tendencia ascendente de las velocidades de datos multi-Gigabit. Dado que la señalización NRZ (sin retorno a cero) de dos niveles conocida se enfrenta con limitaciones físicas a velocidades de datos muy por encima de 28 Gbps, la señalización PAM4 de cuatro niveles soporta 56 Gbps y más, y es un “motor” esencial para respaldar las futuras velocidades de Ethernet de 200G y 400G.

El diseño de la interconexión para la integridad de las señales de alta velocidad

La señalización diferencial es ampliamente utilizada en sistemas de alta velocidad a la hora de neutralizar los efectos del ruido externo aparejados a las líneas de señal. La distribución de los pares de la ruta de la señal, incluyendo las longitudes y la distancia, puede tener un impacto crítico en la integridad de esta.

Los pares deben ser lo más cortos posible y se suele requerir una combinación de longitud de traza, aunque esto no sucede con estándares como PCIe que contienen una señal de reloj embebida. Las guías de diseño para las interconexiones de alta velocidad, como USB 3.0, HDMI y otras, normalmente ofrecen información como las longitudes de traza máximas recomendadas, el espacio entre los pares de señal y otras trazas y la distancia de las señales de reloj.

La regla de oro de las 5S o 5W se suele aplicar al calcular la distancia de par a par apropiada y exige que dicho espacio sea, al menos, cinco veces el ancho de la traza. A pesar de que los pares intraseñales están relativamente juntos, resulta importante garantizar un espaciado consistente a lo largo de toda la longitud de la traza para evitar cambios en la impedancia diferencial que podrían alterar la integridad de las señales. Este espaciado también ayuda a mantener el efecto de cancelación del campo magnético del par diferencial, que minimiza las emisiones electromagnéticas (EMI radiada).

Las guías de diseño de interconexión también ofrecen información valiosa acerca del apilado de la tarjeta. Restringir las trazas de señal de alta velocidad en la capa superior evita el uso de vías que introducen una inductancia extra en la ruta de la señal. Las pautas HDMI recomiendan una separación de 125-250 micras entre el plano de señal superior y el plano de tierra adyacente. Las señales “menos veloces” deben distribuirse en las capas inferiores con la intención de maximizar la separación de las señales de alta velocidad. Esto necesita un apilado de, al menos, cuatro capas.

También se recomienda encaminar las trazas sobre un metal de plano de tierra sólido, beneficiándose así de características como señales nulas o divisiones de plano. Un hueco de, al menos, 1,5 veces el ancho de la traza puede prevenir la corriente de señal de alta frecuencia que se relaciona con la discontinuidad en el plano de tierra y que, de otra manera, puede causar alteraciones en la señal, aumentar la EMI y provocar retardos en la propagación. La ruta de alta velocidad también debería evitar componentes como cristales, osciladores y reguladores de potencia de conmutación y los diseñadores de tarjeta, a su vez, las sondas y los puntos de prueba en las trazas de elevada velocidad.

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