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¿Qué es el ruido de reflexión? ¿Qué efectos puede tener en la funcionalidad de su PCB personalizado? ¿Cómo se puede mitigar con mejores prácticas de diseño?

Este artículo forma parte de una serie inspirada en el "Decano de la integridad de la señal", el discurso de apertura del Dr. Eric Bogatin en Altium Live 2018.

Otros artículos de la serie incluyen:

Este artículo se centra en el ruido de reflexión y en cómo reducirlo con opciones de diseño inteligentes.

¿Qué es el ruido de reflexión?

Cada vez que enviamos una señal de un circuito integrado digital a otro en nuestros PCB, cambiamos el estado de una línea de señal. Ese cambio de estado y los cambios que se acompañan en los campos electromagnéticos pueden describirse como una onda a medida que se mueve a través del circuito. Las ondas son fenómenos que transfieren energía de un lugar a otro, con conductores que guían el camino de la propagación.

Esta es una impresión artística de la energía magnética que rodea un cable a medida que cambia el potencial del cable.

El ruido de reflexión se produce cuando una onda electromagnética encuentra un límite de un medio a otro. Cuando la onda se encuentra con el límite, parte de la energía se transmite como señal y parte de ella se refleja.

Esta animación ilustra que, cuando las ondas viajan de un medio a otro, no se transmite toda la energía, una parte de la energía se refleja de nuevo en su origen.

Para los ingenieros eléctricos, el medio donde se encuentra este límite generalmente se describe en términos de su impedancia eléctrica; es decir, el límite es donde cambia la impedancia.

La impedancia se compone de elementos resistivos y reactivos. Los resistores disipan la energía de un circuito en forma de calor. La energía recuperable en un circuito existe en los campos electromagnéticos que impregnan y rodean a los conductores, inductores y capacitores.

Siempre que la impedancia cambie en un circuito, se producirá una cierta cantidad de reflexión. La onda reflejada viajará de regreso al siguiente límite (la ubicación donde hay un cambio en la impedancia) y se reflejará nuevamente.

Esta ilustración de onda 1D muestra un pulso de onda reflejado entre dos puntos. La energía se atenúa con el tiempo / distancia.

El proceso continuará indefinidamente hasta que la energía sea absorbida por el circuito o disipada en el ambiente.

¿Por qué el ruido de reflexión es un problema?

Para las líneas de señal, habrá puntos de reflexión en su controlador y receptor. El trabajo del ingeniero es minimizar la cantidad de señal reflejada y maximizar la cantidad de señal transmitida a través de la adaptación de impedancia.

Si eso no es posible, será necesario disipar la energía adicional antes de que se acumule y ahogue una señal con ruido.

Si la energía del pulso reflejado no se disipa antes de que se genere el siguiente pulso, la energía se acumulará y agregará un fenómeno llamado superposición. Afortunadamente, las señales se atenúan a medida que pasan a través de elementos resistivos. Así que una simple resistencia en serie eliminará la mayoría de los timbres.

Evaluación de ruido en señales digitales

El teorema de Fourier enseña que cualquier onda o pulso de onda puede descomponerse en una serie de ondas sinusoidales y / o cosenas. Si desea obtener más información sobre este concepto, le recomiendo este video sobre el analizador de armónicos con Bill Hammack de la Universidad de Illinois.

Si tiene un tiempo de subida / bajada suficientemente pequeño, un solo pulso puede contener docenas de ondas de pequeña amplitud.

En la imagen de abajo, puede ver un estado lógico de conmutación de señal digital no atenuado de bajo a alto.

Una señal digital no amortiguada (amarilla, canal 1) capturada en un Lightcrafter de TI cuando cambia los estados lógicos de bajo a alto.

Ahora vea la imagen de abajo, donde la imagen de la izquierda muestra un pulso de onda compuesto creado a través de la superposición sucesiva de armónicos impares de amplitud decreciente de la onda original. Para señales de interés práctico, podemos descomponer la forma de onda en una serie de ondas sinusoidales.

Como muestran las figuras anteriores, una señal digital real tiene un gran ancho de banda y cualquier parte de esa energía podría crear una resonancia en su circuito. Esto contrasta con las señales de RF que tienen un ancho de banda muy estrecho con fácil de calcular las resonancias.

Si logra crear una resonancia en su circuito (también conocido como ondas estacionarias), creará enormes fuentes de ruido que pueden abrumar cualquier línea de señal en las proximidades.

Este gif muestra que una onda (naranja) reflejada en una longitud de onda particular puede combinarse con su reflejo (azul) para crear una onda estacionaria de gran amplitud (verde). Este fenómeno ocurrirá en múltiplos enteros impares de ½ longitud de onda, donde la longitud de onda es el doble de la longitud de su trazado.

Cómo reducir el ruido de reflexión

Hay varios métodos que puede utilizar para controlar el ruido de reflexión en su diseño. Aquí hay una visión general de algunas de las técnicas a su disposición.

Mantener la impedancia constante

Lo primero que debe considerar es cómo mantener una impedancia constante para sus trazas siempre que sea posible. Recuerde: los reflejos se producen cuando cambia la impedancia.

• Calcula la impedancia de tus trazas.

Para mantener la impedancia constante, deberá poder calcular la impedancia de sus trazas. Su programa de PCB debería permitirle hacer esto, pero también hay herramientas en línea disponibles.

Una vez que determine cuáles son sus trazas y anchos de espacio, manténgalos a lo largo de sus rutas.

• Consistencia a través de rastros

Para mantener la impedancia constante en sus pares diferenciales o trazas de un solo extremo, debe mantener el ancho de traza constante, el espaciado constante y la separación constante de todos los demás conductores. Si enruta sus pares controlados por impedancia con una traza aleatoria, cambiará la impedancia y creará un punto de reflexión.

Cuando deba cambiar la impedancia (por ejemplo, de un amplificador lineal a una antena), use un circuito de adaptación de impedancia (calculado con Cartas Smith, herramientas en línea, etc.).

Reducir los puntos de reflexión

También puede considerar cómo reducir la aparición de puntos de reflexión en primer lugar.

• Mira tus vías en el borde del tablero.

Vias puede ser un problema para los diseñadores de circuitos de alta velocidad. Si la vía se extiende más allá de las trazas de señal a las capas no utilizadas, la impedancia del circuito cambia repentinamente. En la transición en el borde de una placa, hay un desajuste de impedancia cuando las trazas salen de la vía (~ 50-150 ohmios) y entran aire (~ 377 ohmios). Esto crea un punto de reflexión en esa ubicación que puede degradar gravemente una señal.

La solución es hacer que su fabricante de PCB "vuelva a perforar" sus vías para eliminar la vía del tablero en las capas externas que no se utilizan. Las vías perforadas hacia atrás mejoran significativamente las transiciones lógicas.

Imagen de Vias perforadas de nuevo de Sanmina-SCI

Mitigar el ruido de reflexión existente

Otra técnica importante es usar resistencias de amortiguación en serie cerca de todas las fuentes de señales de conducción con tiempos de subida / caída rápidos. Esto se conoce a veces como una resistencia de rechazo.

Cualquier reflejo de la señal que ocurra será rápidamente atenuado por cada paso a través de la resistencia. Estos son típicamente resistencias de <100 <colocadas cerca de la fuente de la señal de conducción (por ejemplo, fuente de reloj, GPIO, etc.).

La idea general es crear un circuito amortiguado, donde la señal se eleva al nivel lógico apropiado una vez sin exceso de sobreexplotación y timbre.

Resumen

Para líneas de señal de alta velocidad, mantener una impedancia constante es fundamental para diseñar un circuito de trabajo. Al mover una señal de un IC a otro, incluya resistencias de amortiguación para evitar que suene.

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