Qué es la Adaptación de Impedancia y Por Qué Importa
La adaptación de impedancia es la práctica de diseñar redes eléctricas de modo que la impedancia de una fuente, línea de transmisión y carga sean iguales (o correctamente terminadas) para maximizar la transferencia de potencia y minimizar las reflexiones de señal. Cuando las impedancias no coinciden, parte de la señal se refleja hacia la fuente, causando:
- Reflexiones de señal: Oscilación, sobrepaso y subpaso que degradan la calidad de la señal
- Márgenes de ruido reducidos: Hace que el sistema sea más susceptible al ruido y errores
- Emisiones EMI: Las reflexiones no controladas irradian interferencia electromagnética
- Errores de temporización: Las reflexiones causan disparos falsos y violaciones de temporización
Perspectiva Clave
A frecuencias donde la longitud de la traza excede aproximadamente λ/10 (una décima de longitud de onda), la traza PCB debe tratarse como unalínea de transmisión en lugar de un simple cable. Para una placa FR-4 típica, esta longitud crítica es de aproximadamente 6,35 cm a 500 MHz, 2,54 cm a 1 GHz y solo 0,64 cm a 5 GHz. Las interfaces modernas como PCIe Gen4 (16 GT/s) yUSB4 (40 Gbps) requieren un control de impedancia y terminación cuidadosos.
Estrategias de Terminación
La terminación absorbe la energía de la señal al final de una línea de transmisión, evitando reflexiones. Diferentes esquemas de terminación están optimizados para diferentes aplicaciones según el consumo de energía, la topología y las características de la señal.
Terminación en Serie (Fuente)
En el driver/fuenteVentajas
- Bajo consumo de energía
- Resistencia única simple
- Sin carga DC
- Excelente para punto a punto
Desventajas
- No para multipunto
- Tensión media en puntos de conexión
- Requiere driver de baja impedancia
Mejor Para
Señales de reloj, buses de dirección/datos, punto a punto de un solo extremo
Terminación en Paralelo (Carga)
En el receptor/cargaVentajas
- Funciona con multipunto
- Oscilación de señal completa en todas partes
- Simple de implementar
Desventajas
- Alta corriente DC
- Aumento de potencia
- Carga estática en el driver
Mejor Para
Buses multipunto, backplanes, distribución de reloj lento
Terminación Thevenin
En la cargaVentajas
- Coincide precisamente con Z_0
- Funciona para multi-punto
- Polariza al umbral lógico
Desventajas
- Consumo de energía más alto
- Requiere dos resistencias
- Flujo de corriente DC
Mejor Para
Buses heredados, interfaces TTL/CMOS, coincidencia de precisión
Terminación AC
En la cargaVentajas
- Sin consumo de energía DC
- Bueno para señales estáticas
- El condensador bloquea DC
Desventajas
- No para AC de alta frecuencia
- El condensador debe elegirse cuidadosamente
- Tiempo de respuesta limitado
Mejor Para
Líneas de dirección, señales de control, señales estáticas o de cambio lento
Terminación en el Chip (ODT)
Dentro del ICVentajas
- Sin componentes externos
- Impedancia configurable
- Ahorro de espacio
- Control dinámico
Desventajas
- Limitado a ICs compatibles
- Restricciones térmicas
- Solo opciones fijas
Mejor Para
Memoria DDR, CPUs modernos, SerDes de alta velocidad
Requisitos Específicos de Interfaz
Diferentes interfaces de alta velocidad tienen requisitos específicos de impedancia y terminación definidos por sus estándares. Aquí hay una referencia completa:
| Interfaz | Velocidad | Impedancia | Terminación | Notas |
|---|---|---|---|---|
| USB 2.0 | 480 Mbps | 90Ω diferencial | 45Ω interno a 3.3V (en transceptor) | Terminación en serie en líneas de datos |
| USB 3.x/4 | 5-40 Gbps | 85-95Ω diferencial | 45-50Ω interno | Condensadores de acoplamiento AC requeridos, coincidencia de longitud estricta |
| PCIe Gen3 | 8 GT/s | 85Ω diferencial ±15% | 50Ω diferencial interno | Acoplamiento AC, perforación posterior de vías, coincidencia de longitud ±5 mil |
| PCIe Gen4/5 | 16-32 GT/s | 85Ω diferencial ±10% | ODT interno | Materiales de baja pérdida, perforación posterior obligatoria, sesgo <1 ps |
| DDR4 | 3200 MT/s | 40Ω un solo extremo | ODT 40-120Ω programable | Topología fly-by, terminación en chip en DRAM y controlador |
| DDR5 | 6400 MT/s | 40Ω single-ended | ODT con control por rango | Topología punto a punto, ecualización de retroalimentación de decisión |
| Ethernet 1G (SGMII) | 1.25 Gbps | 100Ω diferencial | Interno (PHY) | Acoplamiento AC, pares diferenciales de 100Ω |
| Ethernet 10G/25G | 10-25 Gbps | 85-100Ω diferencial | 50Ω interno por lado | Perforación posterior para >10G, materiales PCB de baja pérdida |
Preguntas Frecuentes
¿Qué es la adaptación de impedancia y por qué importa?
La adaptación de impedancia garantiza que la impedancia de fuente, la impedancia de línea de transmisión (Z_0) y la impedancia de carga sean iguales o estén correctamente terminadas. Cuando las impedancias coinciden, se transfiere la máxima potencia de la fuente a la carga y se minimizan las reflexiones de señal. Las desadaptaciones causan reflexiones que crean oscilaciones, sobrepaso, EMI y márgenes de ruido reducidos. Para digital de alta velocidad (>100 MHz), las reflexiones degradan los diagramas de ojo y aumentan las tasas de error de bit.
¿Cuál es la diferencia entre terminación de fuente y carga?
La terminación de fuente coloca una resistencia en serie en el driver, creando un divisor de tensión que absorbe las reflexiones que regresan de la carga. La señal tiene media amplitud durante la propagación pero alcanza la amplitud completa en la carga. La terminación de carga coloca una resistencia en el receptor que coincide con la impedancia de línea, absorbiendo la onda incidente. La terminación de fuente usa menos energía y funciona para punto a punto, mientras que la terminación de carga funciona para buses multipunto pero consume energía DC.
¿Cuándo debo usar terminación en serie vs paralelo?
Use terminación en serie (fuente) para señales punto a punto con un driver y un receptor (ej: líneas de reloj, SPI, I2C a velocidades moderadas). Usa mínima energía y sin corriente DC. Use terminación en paralelo (carga) para topologías multipunto donde múltiples receptores se conectan a la línea (ej: buses de direcciones, LVDS multipunto). La terminación en paralelo proporciona amplitud de señal completa en todas partes pero consume corriente continua. Para DDR e interfaces modernas de alta velocidad, use terminación en chip (ODT) que combina los beneficios de ambas.
¿Qué es VSWR y qué valores son aceptables?
VSWR (Relación de Onda Estacionaria de Voltaje) mide el desajuste de impedancia como la relación del voltaje máximo al mínimo a lo largo de una línea de transmisión. VSWR = (1 + |Γ|) / (1 - |Γ|), donde Γ es el coeficiente de reflexión. VSWR = 1:1 es perfecto (sin reflexión). VSWR < 1.5:1 (pérdida de retorno > 14 dB) es aceptable para la mayoría de las aplicaciones. VSWR < 1.2:1 (RL > 20 dB) es excelente. Para amplificadores de potencia, VSWR > 2:1 puede dañar la etapa de salida.