Qué pasa cuando una señal cruza una discontinuidad del plano

Éste es el fallo hacia el que venía apuntando el resto del curso, y merece la pena seguirlo paso a paso, porque cada paso es de lo más normal y el resultado no.

Una tarjeta tiene un corte en el plano de masa. Alguien rutea una señal que lo cruza. El DRC no protesta. La tarjeta se monta, arranca y funciona en el banco.

Luego falla en EMC a 240 MHz, y la pista culpable tiene exactamente el mismo aspecto que todas las demás.

Respuesta rápida. La señal cruza el hueco por su propia pista. Su corriente de retorno no puede, porque bajo la pista no hay cobre en el hueco. El retorno recorre el borde del corte hasta donde las dos regiones se conectan, cruza allí y vuelve por el otro borde. Señal y retorno encierran ahora un lazo tan grande como ese rodeo, lo que sube la inductancia, deforma el flanco y convierte el hueco en un radiador eficiente.

Paso a paso

Antes del hueco. La señal viaja por la capa superior. Su retorno viaja por el plano justo debajo, a unas décimas de milímetro. El lazo es diminuto y la inductancia por unidad de longitud es baja y constante. Esto es una línea de transmisión y se comporta como tal.

En el hueco. El cobre que había bajo la pista se acaba. La corriente de retorno llega al borde del corte y no tiene por dónde seguir.

El rodeo. No se para, porque la corriente no se para. Circula por el borde del hueco buscando una conexión con la otra región. La encuentra donde el diseñador la haya dejado, que puede ser un puente en algún punto del corte, una conexión en la fuente de alimentación o, en el peor caso, un camino por otra capa distinta.

El cruce. Cruza por ahí y después vuelve por el borde opuesto del hueco hasta quedar otra vez debajo de la pista.

Después del hueco. Todo vuelve a la normalidad, como si no hubiera pasado nada. La línea de transmisión continúa.

Cuatro consecuencias

El área del lazo da un salto. El lazo que encerraban señal y retorno era una lámina fina siguiendo la pista. Ahora incluye el rodeo entero. Si el corte mide 40 mm y el puente está en un extremo, el lazo ha ganado del orden de decenas de milímetros cuadrados en el punto del cruce.

La impedancia cambia de golpe. La impedancia de una línea de transmisión depende de la geometría entre conductor y referencia. En el hueco esa geometría cambia por completo en muy poca distancia. La señal ve una discontinuidad y parte de ella se refleja, lo que aparece como campanilleo, sobreoscilación y menos margen de tiempos.

La estructura radia. Un lazo recorrido por corriente de alta frecuencia radia en proporción a su área. El lazo del rodeo es grande y lleva todo el contenido de alta frecuencia de los flancos. El propio hueco, con una tensión desarrollada a lo largo, se comporta como una ranura excitada por sus bordes, que es una estructura radiante eficiente a las frecuencias en las que la ranura es una fracción apreciable de la longitud de onda.

Todo lo demás que cruce el hueco se acopla. Dos señales que cruzan el mismo corte comparten el camino del rodeo. Sus corrientes de retorno circulan por una impedancia común, lo que las acopla directamente entre sí. Ésta es la diafonía que aparece entre redes que no están físicamente cerca, y resulta desconcertante hasta que miras los retornos.

Por qué el banco no lo pilla

La señal llega. Los umbrales lógicos tienen margen, y el campanilleo que introduce una discontinuidad no suele romper la funcionalidad en una tarjeta corta a velocidad moderada.

Lo que ha cambiado es el perfil de emisiones y el acoplamiento, y ninguna de las dos cosas se ve sin el instrumento adecuado. Una punta de osciloscopio en el receptor enseña un flanco algo más feo. Hay que estar buscándolo para verlo, y hay que saber qué aspecto tenía antes.

Ésta es la razón de fondo por la que las discontinuidades de referencia merecen atención en el layout y no en la depuración: la tarjeta funciona, así que nada invita a investigar hasta que invita un laboratorio.

Cómo encontrarlas antes que el laboratorio

Mira la capa de plano sola. Como en la lección 1. Un corte es evidente cuando no hay nada más en pantalla.

Después mira las capas de señal encima. Casi cualquier herramienta puede enseñar dos capas a la vez. Cualquier pista que cruce el hueco es candidata.

Mira también la capa de abajo. Un plano está entre dos capas de señal y hace de referencia para las dos. Un corte afecta a las pistas de ambos lados.

Presta atención a los cortes accidentales. Un foso dibujado a propósito al menos es deliberado. Una fila de antipads de conector, una pista ruteada por la capa de plano o una cadena larga de alivios térmicos son un corte que no decidió nadie, y son el caso habitual.

Si una señal tiene que cruzar

A veces el corte es obligatorio, normalmente por aislamiento, y algo tiene que llegar al otro lado. Por orden aproximado de preferencia:

1. No cruzar. Rerutea la señal para que se quede en un lado. La mayoría de

las veces se puede y sólo cuesta trabajo.

1. Cruzar por un puente a propósito. Si hay una zona de cobre continuo

que une los dos lados, rutea por ahí todas las señales que crucen, juntas. El retorno acompaña a la señal por el puente y el lazo sigue siendo pequeño.

1. Dar al retorno un camino local. Cuando el hueco separa dos redes

distintas y no dos partes de la misma, un condensador entre ambas junto al cruce da al retorno de alta frecuencia una ruta. Es mejor que nada y peor que no cruzar.

1. Cruzar con algo lento. Si algo tiene que cruzar, que sea lo más lento.

Una línea de I²C a 100 kHz con un flanco suave cruzando un hueco es un problema mucho menor que un reloj.

1. Cruzar por un aislador. Para una barrera de aislamiento de verdad es la

única respuesta correcta, y la barrera existe precisamente para que no cruce ningún camino galvánico.

Fíjate en lo que no está en la lista: una ferrita puenteando el hueco bajo la señal que cruza. Es una inductancia colocada a propósito en un camino de retorno, y empeora el rodeo mientras da sensación de arreglo.

La regla general, dicha con cuidado

Una pista necesita cobre de referencia continuo justo debajo, en la capa contigua, desde el emisor hasta el receptor, en todo su recorrido. Donde esa continuidad se interrumpe, la corriente de retorno da un rodeo y el lazo crece lo que mida el rodeo.

Eso es todo. El resto del curso es la aplicación de esa frase a situaciones concretas.

Lo que viene después

La lección 8 coge una tarjeta de señal mixta completa y aplica todo esto: un sensor, una etapa analógica, un convertidor, un microcontrolador y la alimentación, con cada decisión de colocación y de plano justificada por dónde va la corriente.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Texas Instruments: diseño de PCB y caminos de retorno (SLYP173) — consecuencias de interrumpir el retorno bajo una pista.
• Altium: corriente de retorno y obstáculos en el plano — cómo encuentra el retorno su camino alrededor de una discontinuidad.
• Resumen de Autodesk de la guía de partición de Henry Ott — por qué rutear sobre un corte agranda el lazo de retorno y sube la radiación.
• Clemson Vehicular Electronics Laboratory: discontinuidades como fuente de EMI — excitación de las estructuras de la tarjeta por interrupciones del retorno.