1. ¿Qué es la integridad de la señal o signal integrity (si)?
La integridad de la señal (SI) significa la capacidad de la señal para propagarse sin distorsión. Calidad a través de una línea de transmisión.
Los daños o efectos adversos que se pueden presentar son: sobreimpulso o overshoot, impulso en el ciclo bajo o undershoot, diafonía o crosstalk, flancos no monótonos, rebote del tierra suelo o ground bounce, colapso de riel potencia o power rail collapse, desviación del retardo de la línea de señal o signal delay skew, lo que a su vez causara daño el margen de ruido, problemas de integridad de señal (SI) e integridad de potencia (PI), causando un mal funcionamiento, mala calidad de la energía, disparos falsos y problemas de interferencia electromagnética EMI. Estos efectos deben ser visualizados y controlados desde el diseño.
Simulación de integridad de Señal Parte 1
Simulación de integridad de Señal Parte 2
2. Algunos de los efectos de SI- integridad de señal
- Crosstalk o diafonía: es la transferencia de energía electromagnética desde una señal en una línea del agresor (fuente o activa) a una víctima (tranquila o inactiva). La magnitud de la transferencia la señal acoplada disminuye con el paralelismo, la separación, la impedancia de línea más baja y tiempos de subida y bajada del pulso más prologandos (duración de la transición), lo que afecta el margen del ruido que resultaría en un mal funcionamiento del sistema.
- Overshoot o Sobreimpulso: Es degradación de una señal, en la cantidad que un pulso excede su amplitud nominal después de su transición de un estado. El exceso puede ser causado por reflexiones debido a discontinuidades de la impedancia en la línea de transmisión, de un nivel de baja a alta impedancia.
3. ¿Qué es una línea de transmisión?
Una línea de transmisión es un circuito en que viaja una señal, que posee características físicas adecuadas y controladas entre el conductor y el material dieléctrico, para que viajen señales eléctricas de alta frecuencia, alta velocidad o de tiempos cortos. En líneas de transmisión la impedancia debe ser continua en el recorrido de la señal.
La impedancia se puede modelar como una función de su geometría, el ancho/diámetro del conductor, el tipo de línea de transmisión (microstrip, stripline, coplanar wave), la constante de permitividad, el tipo de material de FR-4, el espaciado entre señal e impedancia de tierra, distancia a otros conductores. Cuando se cambia en el recorrido de una señal, la geometría, se cambia la impedancia característica y la impedancia instantánea que la señal ve, entonces se presentan discontinuidades en la impedancia, lo cual puede causar degradación en la señal.
En los casos en que se transmiten señales de alta velocidad, es posible que sea necesario considerar los conductores de señal como líneas de transmisión, con control de impedancia, donde las líneas de transmisión deben terminar con la misma impedancia, con la longitud del camino y distancias entre componentes lo más corto posible, con o sin resistencias de terminación, con una tecnología de driver, con tecnología semiconductora compatible con esa impedancia.
4. Fuentes de ruido en PCB. Relación entre integridad de señal (SI), integridad de potencia (PI) y emisión electromagnética (EMI)
Las interconexiones de pistas, trazos o caminos en un PCB, sólo pueden disminuir el rendimiento de un circuito, agregando ruido al sistema. Existen tres categorías generales de fuentes de ruido:
- Integridad de señal – SI (Signal Integrity): Problemas de ruido asociados con las señales que se propagan a través de los trazos o pistas del PCB.
- Integridad de potencia – PI (Power Integrity): Problemas de ruido asociados con la entrega del voltaje DC a cada dispositivo activo o IC, generalmente causado por corrientes de retorno y consumos de potencia.
- Interferencia electromagnética EMI (Electromagnetic Interference): Problemas de ruido asociados a la interacción emisiones conducidas o radiadas hacia el exterior o ruidos provenientes del mundo exterior que afectan al circuito (susceptibilidad).
5. ¿Cómo se hace una simulación de SI en el esquemático?
- 1. Instalar el plugin de SI.
- 2. En esquemático asignar VCC y GND.
- 3. Asignar el modelo de integridad de señal.
- 4. Realizar la simulación de SI.
6. Detalle del modelo y los modelos IBIS para integridad de señal
Cada componente tiene una arquitectura diferente, dependiendo del componente puede ser TTL, CMOS y así mismo diferentes sub familias (L, LS, S; HMOS, BMOS, GTL, G), lo mejor es usar modelos IBIS que son más exactos para cada componente.
Al realizar la simulación es esquemático, es posible que tengamos que introducir un valor de referencia de impedancia para las pistas y de longitud, es estimarlo mediante un calculador, o colocar un máximo largo eléctrico que pueda tener la señal.
7. ¿Cómo hacer una simulación de integridad de señal en PCB layout?
Adicional a la simulación en esquemático, es necesario tener un archivo de PCB Layout para poder simular, además configurar el estímulo que se va a inyectar a la señal, este puede estar en el orden de los nanosegundos o más de periodo, a continuación se puede ejecutar la simulación y ver los resultados de la simulación, tanto en valores numéricos, como en forma de onda de las reflexiones, con sus efectos de overshoot, undershoot, crosstalk, para realizar los análisis respectivos de integridad de señal y como reducir dichos efectos a los limites requeridos por la aplicación o especificados de diseño.
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Bibliografía:
Device Package User Guide. UG112 (v3.7) September 5, 2012. www.xilinx.com
The IBIS model, Part 3: Using IBIS models. to investigate signal-integrity issues. By Bonnie C. Baker. Senior Applications Engineer. 2011.
Yoshi Tsuji, Ace Application Engineering Manager with Teledyne LeCroy, Japan. Bethesingnal.com Signalintegrityacademy.com
Andy Eady. 2023 EMC FASTPASS. emcfastpass.com
Rainer Touringer IPC APEX 2009.
Sierra Circuits. www.protoexpress.com
Microcontroller EMC Design Guidelines for Microcontroller Board Layout AP24026 Application Note, V 3.0, April 2005 infineon technologies.
Bogatin’s Practical guide to prototype breadboard and PCB design. Eric Bogatin. 2021. Artech House. USA.
Kraig Mitzner, Bob Doe, Alexander Akulin, Anton Suponin, Dirk Müller. Complete PCB Design Using OrCAD Capture and PCB Editor. Academic Press; 2nd edición 5 Julio 2019
Logic Guide. Texas Instruments. 2017. www.ti.com/logic
IBIS Models for Signal Integrity Applications Bob Ross, Syed Huq, Jon Powell, Quad Design. ibis.org
IPC-2141A. Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards. 2004. www.ipc.org.
