Análisis de la reflexión en señales digitales de alta velocidad

¿Qué es la “reflexión” en señales de alta velocidad?

En señales digitales de alta velocidad, una pista no se comporta como un simple conductor, sino como una línea de transmisión. Como resultado, dependiendo de las condiciones de terminación, parte de la energía de la señal puede regresar hacia el origen. Este fenómeno se denomina reflexión (reflection).

La reflexión no significa que “se haya mezclado ruido”. Es un fenómeno físicamente natural en el que la energía de la señal cambia de dirección debido a una desadaptación de impedancias.

En este artículo, reproducimos la reflexión utilizando un circuito mínimo y la entendemos como un “escalón” visible en la forma de onda.

La causa de la reflexión: desadaptación de impedancias

Una línea de transmisión tiene una impedancia característica Z0. Si la resistencia de carga RL en el extremo receptor no coincide con Z0, parte de la señal que llega no se absorbe y regresa hacia el transmisor.

Esta señal de retorno es la onda reflejada. La magnitud y la polaridad de la reflexión dependen de la relación entre Z0 y RL.

Observación con un circuito mínimo: solo reflexión

Para observar la reflexión de forma clara, la carga se limita a una resistencia pura. Al no introducir componentes capacitivos como la capacitancia de entrada, se evita el ringing causado por la resonancia LC.

Vpulse ── Rs ──●── TL ── RL ── GND
               │
        Vsrc (punto principal de observación)

En este artículo, el punto principal de observación es la unión entre Rs y la línea de transmisión (TL), es decir, el extremo del transmisor. Como la onda reflejada regresa con un retardo, se puede observar claramente como un escalón en este punto.

Procedimiento en uSimmics

1. Colocar los componentes

• Pulse / VPulse (fuente de voltaje por pulsos)
• Resistencias ×2 (Rs, RL)
• Línea de transmisión (línea coaxial / RLCG Line, etc.)
• GND
• Sonda de voltaje (para Vsrc)

2. Retardo de la línea de transmisión

En uSimmics, muchos componentes de línea de transmisión no requieren que se especifique el retardo directamente. El retardo se determina automáticamente a partir de la longitud de la línea L y la permitividad relativa er.

El retardo de propagación Td se expresa como:

Para un material similar a FR-4 (er ≈ 4), el retardo es de aproximadamente 6,7 ns por metro. En este artículo, la longitud de la línea se ajusta para obtener un retardo de unos 10 ns, facilitando la observación de la reflexión.

3. Ejemplo de configuración de parámetros

Por qué la reflexión se observa mejor en el extremo transmisor

La reflexión se genera en el extremo de carga, pero no siempre se observa allí claramente como un “escalón”.

En el extremo transmisor, primero aparece la onda incidente. Después, la onda reflejada generada en la carga regresa tras un retardo. Debido a esta diferencia temporal, el voltaje cambia nuevamente después de la transición inicial, haciendo que la reflexión sea claramente visible como un escalón.

En el extremo de carga, aunque la reflexión ocurre, la onda reflejada se propaga inmediatamente en sentido contrario a lo largo de la línea de transmisión y no permanece en ese punto. Por ello, según las condiciones, puede ser difícil observarla como un escalón.

Confirmación con formas de onda: cómo cambia el escalón al variar RL

Observe Vout cambiando únicamente RL. La reflexión aparece como un cambio retardado en la forma de onda, es decir, un escalón.

Caso 1: RL = 50 Ω (adaptado)

Como RL coincide con Z0 (50 Ω), prácticamente no hay reflexión. Vout se eleva de forma limpia.

Caso 2: RL = 100 Ω (desadaptado: carga mayor)

Se produce reflexión y aparece un escalón después del flanco de subida. En comparación con el caso adaptado, el voltaje aumenta ligeramente con retardo.

Caso 3: RL = 1 kΩ (casi circuito abierto)

Cuanto más cercana a circuito abierto sea la carga, mayor será la reflexión. El escalón en Vout se vuelve muy evidente. Este es el caso más fácil para experimentar la reflexión por primera vez.

Caso 4: RL = 25 Ω (desadaptado: carga menor)

En este caso, la dirección del escalón se invierte. Es decir, la reflexión no siempre “salta hacia arriba”; su polaridad depende de la condición de terminación. La reflexión se observa como un escalón retardado, y su magnitud y dirección están determinadas por la impedancia de carga.

Cuándo la reflexión se convierte en un problema

La reflexión se vuelve problemática no porque la frecuencia sea alta, sino porque el tiempo de subida es corto. A medida que los IC se vuelven más rápidos, la reflexión ya no puede ignorarse incluso en las mismas pistas.

Situaciones como “antes funcionaba, pero ahora es inestable” suelen deberse a la reducción del tiempo de subida.

Resumen: la reflexión aparece como un escalón en el extremo transmisor

• La reflexión se produce por desadaptación de impedancias en el extremo de carga
• El extremo transmisor (unión de Rs y TL) es donde el escalón se observa con mayor claridad
• El retardo depende de er y de la longitud de la línea, y determina el tiempo de retorno de la reflexión
• Comenzar con un circuito mínimo solo con resistencias es la forma más rápida de entender la reflexión

Más que centrarse únicamente en “dónde se genera la reflexión”,
conviene pensar en dónde se observa el fenómeno.
Esto permite interpretar correctamente el significado físico de la forma de onda.