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Integridad de la Señal - Conceptos Fundamentales

La Integridad de la Señal (Signal Integrity, SI) se refiere a la calidad de la señal en una línea de transmisión. Un buen desempeño de la integridad de la señal significa que los niveles de señal en la línea de transmisión alcanzan los valores previstos de manera precisa, ni más ni menos.

La razón detrás de los problemas de integridad de la señal se debe a que en el mundo real, los niveles digitales (0/1) no son ideales, ya que la señal en sí es analógica. En circuitos de baja velocidad, los problemas de integridad de la señal no son tan evidentes, ya que las líneas de interconexión son transparentes para las señales eléctricas y los efectos de los circuitos analógicos pueden ser despreciados. Sin embargo, cuando se trabaja a altas velocidades (superiores a 100 MHz o con tiempos de subida inferiores a 1 ns), los voltajes o corrientes de los niveles digitales comienzan a distorsionarse, lo que lleva a una diferencia significativa entre la información transmitida y la recibida, lo que resulta en errores. Por lo tanto, al diseñar circuitos de alta velocidad, es necesario considerar la integridad de la señal.

La integridad de la señal en sentido amplio abarca tres tipos de problemas:

  • Integridad de la Señal (Signal Integrity, SI): se refiere a la distorsión de la forma de onda de la señal.
  • Integridad de la Potencia (Power Integrity, PI): se refiere a la red de suministro de energía y al ruido en los componentes relacionados.
  • Compatibilidad Electromagnética (Electro Magnetic Compatibility, EMC): se refiere a la capacidad de los dispositivos electrónicos para funcionar adecuadamente en campos electromagnéticos sin ser afectados por interferencias electromagnéticas ni causar interferencias a otros dispositivos.

Principios Básicos de la Integridad de la Señal

  • Cualquier interconexión de señal está compuesta por una línea de transmisión que consta de una vía de señal y una vía de retorno. Cada paso que la señal da en la línea de transmisión experimenta una impedancia instantánea. Para lograr una calidad óptima en la transmisión de la señal, es fundamental mantener la impedancia instantánea constante, lo que se logra, por ejemplo, con una sección transversal uniforme en la línea de transmisión.
  • Cada señal tiene su propia vía de retorno y no se limita únicamente a la tierra. Analizar la vía de retorno es crucial para resolver problemas.
  • En cuanto a los condensadores, los bordes de cambio rápido tienen una impedancia muy baja. Esto se aplica no solo a los condensadores externos sino también a los condensadores parásitos en la línea de transmisión.
  • En el caso de las bobinas, cualquier cambio en la corriente o el número de vueltas de las líneas magnéticas puede generar voltaje en ambos extremos, lo que puede dar lugar a ruido de reflexión, interferencias, ruido de conmutación, rebote a tierra, hundimiento en las pistas y interferencias electromagnéticas. Cuando la corriente experimenta cambios bruscos en una bobina de retorno a tierra, se genera un voltaje en la bobina de retorno a tierra, lo que se conoce como hundimiento a tierra y es la causa de ruido de conmutación y de interferencias electromagnéticas.
  • La banda de frecuencia de una señal se refiere a la frecuencia máxima de los componentes de onda sinusoidal efectivos (en comparación con una onda cuadrada de la misma frecuencia). La banda de frecuencia de un modelo de interconexión se refiere a la capacidad del modelo para predecir con precisión el rendimiento real de la interconexión en esa frecuencia máxima de onda sinusoidal.
  • En la mayoría de los casos, los cálculos de la integridad de la señal resultan en valores definidos o aproximados.
  • Los problemas causados por líneas de transmisión con pérdida son generalmente degradación en los tiempos de subida. Las pérdidas de señal aumentan con la frecuencia debido a los efectos de la piel y las pérdidas por conmutación.

Problemas Fundamentales de la Integridad de la Señal

La integridad de la señal en sentido amplio se puede dividir en cuatro categorías principales:

  • Distorsión de señal en una sola red.
    • Reflexiones (causadas por cambios instantáneos de impedancia).
    • Problemas de calidad de señal (degradación de los tiempos de subida debido a pérdidas relacionadas con la frecuencia).
    • Errores de temporización (diferencias en el retardo entre múltiples señales debidas a diferencias en las características eléctricas de las interconexiones o diferencias en la longitud, lo que conduce a la distorsión de señales diferenciales).
  • Interferencia entre dos o más redes (incluyendo rebotes y hundimientos de energía y tierra).
  • Hundimientos en la distribución de energía y tierra (PI).
  • Interferencias electromagnéticas y radiación de todo el sistema (EMC).

Referencias y Agradecimientos

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