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Análisis de interconexión: TDR

Información sobre los TDR: aplicaciones, inconvenientes a la hora de realizar medidas, consejos y técnicas.

El acusado incremento continuo del uso de señales digitales de alta velocidad en diseños electrónicos hace que sea necesario caracterizar interconexiones de alta frecuencia, ya que, de no hacerlo, pueden producirse muchos cambios de diseño y retrasos a la hora de lanzar los productos al mercado. El reflectómetro en el dominio del tiempo (TDR) ha evolucionado mucho desde sus inicios, cuando se usaba para identificar averías en cables. Si sus diseños utilizan señales con tiempos de subida inferiores a un nanosegundo, las propiedades de la línea de transmisión de las interconexiones son importantes. El TDR es una herramienta versátil e intuitiva que permite observar el rendimiento de sus interconexiones para resolver de forma rápida y rutinaria los tres interrogantes importantes: ¿cumple mi interconexión las especificaciones?, ¿funcionará en mi aplicación?, y ¿dónde miro para mejorar su rendimiento? El TDR no es tan solo una sencilla estación de radar para líneas de transmisión que envía pulsos por la línea y observa los reflejos de las discontinuidades de la impedancia. También es un instrumento capaz de proporcionar directamente modelos de topología de primer orden y modelos de comportamiento de los parámetros S. Analizaremos las cinco aplicaciones más importantes del TDR de un puerto, desde la más habitual a la más avanzada.

  1. Medición de la impedancia y la uniformidad características de una línea de transmisión

Para conseguir una línea de transmisión ideal sin pérdidas, solo hay dos parámetros que caracterizan totalmente la interconexión: su impedancia característica y su retardo de tiempo. Esta es la aplicación más sencilla y habitual del TDR. El TDR envía un flanco de paso calibrado de aproximadamente 200 mV al dispositivo sometido a prueba (DUT). Todos los cambios en la impedancia instantánea que el flanco encuentre a su paso harán que la señal se refleje hacia atrás, en función del cambio que vea en la impedancia. La tensión incidente constante de 200 mV, más cualquier tensión reflejada, es lo que se muestra en la pantalla del TDR. En la Figura 1 se muestra la respuesta del TDR de una línea de transmisión microstrip y una referencia abierta. El DUT es una línea de transmisión microstrip de dos secciones con una impedancia característica de 50 Ω y 40 Ω, y con el extremo más lejano abierto. La traza azul muestra la respuesta del TDR cuando el cable no está conectado al DUT y define el inicio del cable. La traza amarilla del TDR muestra la pequeña tensión reflejada del lanzamiento del conector de lanzamiento SMA, seguida de la sección de 50 Ω, la pequeña caída de tensión de la sección de 40 Ω (con una impedancia menor) y el extremo abierto de la traza. A partir de la respuesta del TDR, podemos obtener la impedancia instantánea de cada segmento utilizando marcadores de traza o convirtiendo la escala de tensión vertical en una escala de impedancia. Este método nos permite evaluar la uniformidad de la impedancia de la línea.

Un inconveniente es que estamos suponiendo que toda la tensión medida que procede del TDR se debe a reflejos de discontinuidades de la impedancia. Es una buena suposición cuando solo hay discontinuidades de impedancia pequeñas hasta el lugar del marcador. En la Figura 2, podemos ver la respuesta del TDR medida de una línea de transmisión uniforme desde el punto de vista nominal, en una escala vertical ampliada de 2 Ω/div. La impedancia del centro de la pantalla está establecida en 50 Ω. El gran pico que se ve al inicio de la línea es la discontinuidad inductiva del conector de lanzamiento SMA que, con esta escala de alta resolución, parece enorme. A esta escala, la línea de transmisión uniforme no parece tan uniforme. ¿Esta variación es real o algún tipo de artefacto? Existen dos artefactos importantes capaces de provocar este comportamiento. En primer lugar, podría existir una degradación del tiempo de subida en la señal incidente.

Quizá no sea perfectamente plana, como un flanco de paso gaussiano ideal. A fin de cuentas, la señal reflejada que se muestra en el TDR es en realidad el reflejo de la señal incidente. Si la señal incidente tiene una cola larga, veremos esa cola larga en la respuesta del TDR y puede interpretarse erróneamente como una variación del perfil de impedancia. Un método para solventar este problema consiste en usar la función de respuesta calibrada del osciloscopio de muestreo de TDR DCA 86100D de Keysight, como hacemos en este caso. Otra fuente de artefactos son las pérdidas típicas de la línea. La traza podría presentar resistencia en serie distribuida o conductancia de shunt distribuida. La resistencia en serie hará que la tensión reflejada aumente a medida que avanzamos por la línea, mientras que la conductancia de shunt hará que la respuesta del TDR reflejada se reduzca a medida que avanzamos por la línea, como sucede en este caso. Una forma de evaluar si un perfil de impedancia realmente muestra una variación en la impedancia instantánea de la línea de transmisión o un artefacto es medir la respuesta del TDR de la línea en los dos extremos. Si es real, deberíamos ver cómo cambia la pendiente de la respuesta en función del extremo de la línea desde donde realicemos en lanzamiento. Si es uno de los dos artefactos, la respuesta tendrá el mismo aspecto en pantalla con independencia del extremo desde donde realicemos el lanzamiento, como se muestra en la Figura 3.

  1. Medición del retardo de tiempo de una línea de transmisión

El retardo de tiempo de una línea de transmisión de un extremo al otro puede medirse directamente a partir de la pantalla del TDR usando marcadores. En la Figura 4 podemos ver respuestas del TDR para un cable abierto y cuando el DUT está conectado. Para aumentar la precisión, se emplea el tiempo del punto central entre las dos respuestas abiertas. El intervalo tiempo desde el inicio de la reflexión del extremo abierto del cable hasta la reflexión del extremo más lejano abierto del DUT es el tiempo total de ida y vuelta. El retardo de tiempo es la mitad de ese valor. Para garantizar la integridad de medida de artefactos del conjunto como el conector de lanzamiento, se puede incluir una línea de prueba para ayudar a la caracterización de la placa del circuito y cada capa. Por ejemplo, se pueden añadir parches de referencia con una separación conocida en dos lugares de la línea de transmisión, como en la Figura 5. Estas pequeñas imperfecciones, o parches, pueden detectarse fácilmente con el TDR cuando se utiliza la escala de 2 Ω/div.

  1. Medida precisa de la velocidad de la señal en una línea de transmisión

Con el método de extremo a extremo para medir el retardo de tiempo, podemos obtener una medida precisa de la velocidad de la señal que recorre la línea de transmisión, con independencia del tipo de conector de lanzamiento. Esto se consigue dividiendo la distancia física que separa los dos parches de referencia entre el retardo de tiempo obtenido. En la Figura 5 se muestran dos caídas negativas de los parches de referencia con una distancia de separación conocida. La diferencia de tiempo entre estas dos caídas negativas es el tiempo de ida y vuelta entre los parches.

  1. Extracción de la constante dieléctrica bruta del laminado

La velocidad de la señal de la línea de transmisión es directamente proporcional a la constante dieléctrica Dk que ve la señal. En el caso de una línea de transmisión v stripline, puede extraerse la constante dieléctrica efectiva usando la relación simple que se muestra a continuación: Dk=(0.3/v)2 donde 0.3 es la velocidad de la luz en m/ns Sin embargo, en un microstrip, algunas de las líneas del campo eléctrico están en el laminado bruto y algunas están en el aire. La señal ve un compuesto de estos dos materiales, lo que crea una constante dieléctrica efectiva, Dkeff. Este valor es el que afecta a la velocidad de la señal y puede extraerse de la velocidad medida de la señal.

  1. Creación de un modelo de una discontinuidad o interconexión

La incorporación de estructuras como parches de prueba, terminales de componentes, esquinas y lagunas en la ruta de retorno creará discontinuidades. Las discontinuidades pueden caracterizarse como capacitivas, inductivas y resistivas. Estas estructuras no son uniformes y, para calcularlas, puede ser necesario un solucionador de campos 3D. A veces, la forma más rápida de evaluar su impedancia es crear una estructura y medirla. A partir de la respuesta medida, podemos evaluar empíricamente el impacto de la señal si hacemos coincidir el tiempo de subida del TDR con el tiempo de subida de la aplicación. Podemos medir directamente desde la pantalla del TDR la cantidad de ruido de la tensión reflejada que podríamos ver en el sistema. Otro método sería usar el TDR para extraer un modelo sencillo de primer orden para la estructura y usar ese modelo en una simulación al nivel del sistema para evaluar el impacto de la discontinuidad. Por ejemplo, el TDR nos permite observar que las esquinas (o flexiones de 90 grados) tienen una respuesta similar a la de un condensador con constantes localizadas. Usando la medida del TDR, podemos obtener el valor de capacitancia para el modelo de condensador con constantes localizadas y usar ese modelo en una simulación del sistema para evaluar si una esquina puede suponer un problema potencial o si puede ignorarse. Para la misma traza de impedancia, la cantidad de capacitancia en una esquina aumentará con la anchura de la línea. Es interesante recordar que la capacitancia de una esquina es de alrededor de 1 fF por 0,025 mm de anchura de línea para una línea de 50 Ω. Por lo tanto, en líneas de 1,524 mm y 0,127 mm de ancho, la capacitancia de una esquina será de alrededor de 60 fF y 5 fF, respectivamente. Por último, si necesitamos más precisión o un modelo con un ancho de banda mayor que los que podemos obtener directamente de la pantalla, podemos utilizar los datos medidos del TDR y trasladarlos a una herramienta de modelado o simulación, como SPICE o ADS, para establecer un modelo más exacto.

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