Línea de banda doble: por qué la regla ortogonal no es opcional

El intercambio que estás realizando

La línea de banda dual coloca dos capas de enrutamiento entre un solo par de planos de referencia. Normalmente, cada capa de señal tiene su propio par de planos; aquí comparten.

Es decir, se ahorran dos capas de cobre y, con ellas, un ciclo de laminación. En una pizarra densa y con gran volumen, se gana mucho dinero, por lo que los diseños con doble banda siguen apareciendo en diseños de bajo coste, a pesar de que la gente se queja de la integridad de las señales.

Las quejas están justificadas. Estás cambiando el costo de fabricación por un problema de acoplamiento, y el problema de acoplamiento no desaparece con un espaciado cuidadoso. O desaparece con la disciplina de enrutamiento o no desaparece en absoluto.

Cada capa por sí sola es solo una línea de banda desplazada

Nada exótico. La capa 1 se encuentra a cierta distancia del plano superior y más lejos del inferior. La capa 2 lo refleja. Ambas son líneas de banda desplazadas, resueltas de la forma habitual.

Un punto de modelado es importante: la otra capa de señal no es una referencia. Es un conductor flotante que lleva su propia señal. Al tratarlo como si fuera tierra, se obtiene una impedancia optimistamente baja y una falsa sensación de que todo está bien.

Esa suposición (la otra capa está flotando, no el suelo) es exactamente lo que se rompe en el momento en que dos trazas corren paralelas una sobre la otra. Lo que nos lleva al problema real.

El número

Cuando dos trazas en capas de señal adyacentes se extienden una sobre la otra, se enfrentan a través de un dieléctrico delgado sin ningún plano intermedio. Esa es la estructura más estrechamente acoplada que se puede construir en una PCB.

Descompóngalo en modos. El modo extraño coloca una pared eléctrica a medio camino entre las huellas. El modo par coloca allí una pared magnética, dejando cada traza referenciada principalmente a su propio plano. El coeficiente de diafonía hacia atrás queda fuera de la división:

En una geometría típica de doble línea (0,8 mm de separación entre planos, 0,33 mm de separación entre las capas y 0,13 mm de trazo en FR4), el resultado es de alrededor del 20% .

Veinte por ciento. La víctima recibe una quinta parte de la tensión del agresor.

Compárelo con el acoplamiento de bordes entre vecinos de la misma capa con un espaciado normal, que es de un par de puntos porcentuales. La superposición lateral es un orden de magnitud peor, y no hay ninguna cantidad de espacio entre capas que la superponga, porque el acoplamiento no se produce dentro de la capa.

Si empujas las dos capas de señal más cerca una de la otra que de sus planos, la señal sobrepasará el 50%.

Entonces: ruta ortogonalmente

Una capa horizontal, la otra vertical. Esa es la regla.

Con el enrutamiento ortogonal, dos trazas en las dos capas solo se superponen donde se cruzan: una región de una fracción de milímetro de largo. El acoplamiento aumenta con la longitud acoplada, por lo que un cruce aislado no aporta prácticamente nada. La cifra del 20% es el peor de los casos en el caso de trazas paralelas a lo largo de una distancia larga, y el enrutamiento ortogonal hace que esa distancia sea cero.

Hágalo cumplir con una regla de diseño, no con la atención del revisor. Los revisores se cansan. Las reglas de diseño no.

Dónde sale mal en la práctica

Un par diferencial en una capa y un reloj rápido en la otra, justo por arriba. Esto es desagradable, porque el rechazo del par al modo común no ayuda. El acoplamiento de banda ancha de un agresor que se encuentra por encima de la pareja se acopla a ambos conductores casi por igual: ese es el modo común, y un receptor diferencial rechaza el ruido diferencial, no este. Navega en línea recta. "Principalmente ortogonal." Una capa que es vertical en un 90% y que cuenta con algunos tramos horizontales largos para esquivar un obstáculo. En esas pocas carreras es exactamente donde se encuentra el acoplamiento. Suponiendo que ambas capas tengan la misma impedancia. Solo coinciden si la pila es simétrica. La capa que se encuentre más cerca de su plano es la de menor impedancia. Si ambas quieren alcanzar el mismo objetivo, usa diferentes anchos de trazo por capa y coloca ambos números en el dibujo de fabricación, porque el fabricante no adivinará.

En cambio, ¿cuándo gastar el dinero

Coloque un plano entre las dos capas de señal si:

• Estás enrutando cualquier cosa con un presupuesto de diafonía ajustado: DDR, SerDes, luces estroboscópicas rápidas.
• No se puede garantizar la disciplina de enrutamiento de todo el equipo y durante toda la vida del proyecto, incluidos los cambios de Rev-C que alguien hace a toda prisa.
• El tablero ya tiene suficientes capas como para que un par más no sea el coste decisivo.

La línea de doble banda supone un compromiso en cuanto a costes. Es perfecto para diseños densos y rentables, en los que las señales son moderadas y el enrutamiento es disciplinado. Es mala cuando pretendes que el acoplamiento no está ahí.

Comprobando tu propia lista

Algunas cosas que vale la pena hacer antes de comprometerse:

• Calcula el coeficiente de acoplamiento para tu geometría actual, no para uno genérico. Varía mucho con la separación de capas.
• Compruebe la impedancia de ambas capas por separado.
• Verifique el desfase derivado de la segunda capa. Es fácil olvidar que los dos grosores de cobre superan el presupuesto de un plano a otro: 70 micras en un espacio de 0,2 mm es un error del 35% si se coloca en el lugar equivocado.
• Si las capas están separadas por más de la mitad del espacio del plano, considere aproximada cualquier estimación de acoplamiento en forma cerrada. Ahí es donde se comportan los modelos simples.

La calculadora de líneas de banda doble indica la impedancia de ambas capas y el acoplamiento lateral más desfavorable para su geometría, y avisa cuando los números se desvían de donde el modelo es fiable.