Principios de pares diferenciales - Parte 2

Dado que ya conocemos la teoría básica de pares diferenciales definida en la primera parte del articulo, ¿Cómo debemos diseñar nuestro primer par diferencial en Altium? ¿Y qué factores debemos de tener en cuenta a la hora de realizarlo?

Los factores en el diseño de pares de diferenciales en un PCB.

Para esta tarea podemos usar distintos softwares que existen en el mercado, en función del tipo de par diferencial de los enunciados anteriormente, el tipo de dieléctrico y la densidad de cobre por superficie, el valor de ambos factores se verá afectado, y como consecuencia el ancho de pista y distancia entre pistas cambiará.

Para esta tarea, podemos usar mano del software de Altium para el diseño de nuestro par diferencial.

Dentro del software de Altium, la forma más sencilla de diseñar un par diferencial es a través del esquema.

Para ello, lo único que tenemos que hacer es dar un nombre al “Net” del par añadiendo un “_N” y “_P” en función del tipo de conexión. A su vez, debemos asignar a través del menú “Place/Directives/Differential Pair”, el icono de par diferencial.

Dentro de este en el menú propiedades, podremos asignar clases y reglas de diseño directamente desde el esquema.

“Esquema eléctrico de un par diferencial”.

Otra opción para definir un par diferencial, o varios, es a través de un “Blanket”. Para ello, lo debemos seleccionar la opción en “Place/Directives/Blanket”. Tras seleccionar la opción podremos definir un polígono en el cual todas las nets, que se encuentren en su interior pertenecerán al mismo grupo de reglas. Para añadir estas, debemos seleccionar en “Place/Directives/Parameter Set”, al posicionarlo junto al “Blanket”, podremos asignar las reglas que deseemos, en este caso, las de pares diferenciales.

“Definición de regla de par diferencial en el Esquema”

Si exportamos el esquema al PCB podremos comenzar a diseñar nuestros pares diferenciales.

Antes de comenzar a trazar pistas, debemos tener en cuenta el “Stack-up” de nuestro PCB, es decir, por donde trazaremos nuestro par diferencial si es un diseño multicapa, dado que para seleccionar el control de impedancias debemos tener en cuenta cuál será nuestro plano de referencia por el que las corrientes seguirán su camino de retorno, cerrando el lazo de corriente, y así mismo, imaginar cómo se comportará el campo eléctrico generado por el flujo de corriente.

“Stack-up PCB y control de Impedancia.”

En este caso, en el menú de propiedades podemos seleccionar la impedancia y el tipo de par diferencial, concretamente para este ejemplo un par acoplado “stripline”, donde se modificará el ancho de pista y la distancia entre ellas en relación con la impedancia deseada. También, cabe destacar, que, en este ejemplo, el par que tracemos por la capa de “Signal 1”, tendrá como planos de retorno, el plano superior de referencia, y el plano de rutado de “Signal 2”. 

De este modo, facilitaremos el retorno de corrientes y la absorción de gran parte de la energía radiada a través del plano de referencia, aunque pueda existir un leve “crosstalk” con el plano de rutado “SIgnal 2”.

La siguiente tarea para realizar correctamente el diseño del par diferencial es seleccionar la regla del control de impedancia que hemos realizado en el “stack-up”. Por ello, iremos al menú “Design”, y seleccionaremos las reglas, en el caso de que no lo hayamos hecho con anterioridad en el esquema.

“Reglas del par diferencial”.

Dentro de las reglas del ancho de pista, en la opción de rutado de par diferencial seleccionaremos la opción de usar un perfil de impedancias.

Para comenzar el rutado debemos ir al menú “Route” y seleccionar la opción “Interactive Differential Pair Routing”, y clicar en el conector del par y comenzar a trazarlo.

“Diseño de par diferencial interactivo”.

En este caso, el par diferencial superior está correctamente diseñado y cumple las reglas. Sin embargo, en el par diferencial inferior, se han violado las reglas de distancia entre pistas; se puede apreciar en el color de la pista, por lo que la impedancia no se ajustara correctamente. Es cierto que, en ambos casos, la longitud de ambas líneas de transmisión de datos adyacentes es similar, pero no es condición única para que se cumplan las reglas del par diferencial, ya que se violarían las reglas del perfil de impedancias generado.

Una vez corregidas las diferencias, se puede ocasionar el caso de que ambos pares no tengan la misma longitud, ocasionado así el efecto “crosstalk”, entre ellos y pistas adjuntas, o ser más inmune a las fuentes de ruido, principal razón por la que se opta realizar pistas de transmisión de datos a través de un par diferencial. Por lo que debemos compensar esa longitud a través del “length tunning”.

“Selección de longitud para “Length tunning” ”.

En este caso, en el menú de propiedades podemos seleccionar una distancia manual, una longitud fijada por una regla, o una longitud de un par diferencial ya existente para mitigar todos los problemas electromagnéticos narrados con anterioridad, como es en este caso.

A la hora de acoplar la compensación de distancia, deberemos completar la barra de longitud. En los extremos de esta, aparece la distancia actual de la línea y en el otro extremo la longitud a la que deseamos llegar. De este modo, tendremos que completar la barra con el porcentaje de color verde. En el caso de excedernos, la barra cambiará de color indicándonos que hemos sobrepasado dicha distancia.

Posteriormente, podemos seleccionar el patrón para el ajuste de longitud; en forma de arco, o bien redondeado, y la amplitud de la curva y espaciado entre estas mismas.

“Ajuste de longitud del par diferencial”.

De esta manera, compensaremos la distancia de un par con el otro, reduciendo así todos los problemas de interferencia electromagnética que se pudieran ocasionar entre ellos.

Otro caso que se puede generar a la hora de diseñar múltiples pares diferenciales con una mayor densidad de pistas, y con mayor densidad de componentes y conectores, es que se pudieran ver modificadas la longitud de cada línea de transmisión de datos dentro de un mismo par diferencial. Este caso, nos puede generar desfases entre las señales transmitidas por el par, y como consecuencia un mal acoplamiento. Comúnmente, se denomina efecto “skew” a este caso. Para ello, compensaremos la línea de transmisión con menor longitud con la línea de mayor longitud al igual que se ha realizado en el caso anterior. Para realizar esta tarea, seleccionaremos la opción de ”Interactive Length Tunning”, y dentro del menú de propiedades seleccionar la longitud de la pista con la que deseamos compensar la longitud.

“Ajuste de efecto “skew” en par diferencial”.

De esta manera evitaremos ese desfase de señales y todos los problemas electromagnéticos que pudieran ocasionar.

En la actualidad, los diseños de PCB aumentan su complejidad día a día, aumentando la velocidad de transmisión de datos por las líneas de transmisión en estos mismos. Por ello, los pares diferenciales son una herramienta indispensable para los diseñadores de PCB. Conocer las bases de un par diferencial, y seguir esta serie de indicaciones nos ayudarán a facilitar la integración de estos en nuestro diseño PCB.