La respuesta corta es que depende.
Si la hoja de datos dice que la almohadilla central debe conectarse a tierra, no hay ningún problema en conectarla a la misma red que uno de los pines que también debe conectarse a tierra. Eléctricamente, al menos en teoría, esas dos partes del chip son eléctricamente equivalentes. Conectar la almohadilla central a través de una vía a un plano de tierra y luego conectar un pin a través de una vía a ese mismo plano de tierra es (de nuevo, teóricamente) eléctricamente idéntico a ejecutar una traza desde ese pin directamente de vuelta a la almohadilla central. En ambos casos terminan siendo parte del mismo nodo eléctrico y tendrán el mismo potencial, que es lo que la hoja de datos le dice es cómo deben ser conectados.
La equivalencia teórica se rompe cuando los requisitos eléctricos de los circuitos llegan a un punto en el que la geometría de la traza y la placa se convierten en un factor que influye en su rendimiento eléctrico. Esto podría ser debido a las altas corrientes, donde es necesario considerar las corrientes de CC y por lo tanto la resistencia de CC, pero en una parte como esta, la preocupación va a ser una cuestión de contenido de frecuencia y, específicamente, las corrientes dinámicas que van a ser transportados por los pines de alimentación del dispositivo. Cualquier dispositivo digital tiende a consumir impulsos de corriente cada vez que cambia el estado interno del dispositivo. En un buffer digital simple, como un 7404, hay un pulso de corriente cada vez que la entrada y por tanto la salida cambian. En un microcontrolador o cualquier otra cosa con un reloj continuo y una tonelada de complejidad interna, hay un pulso de corriente en cada transición de reloj, ya que miles o millones de transistores internos cambian de estado y las capacitancias parásitas asociadas se cargan o descargan. Con un dispositivo que maneja un cable, como un PHY ethernet o ese transceptor USB con el que estás trabajando, habrá un pulso de corriente cada vez que cambie el estado del cable (porque la única razón por la que tenemos PHYs ethernet y transceptores de línea similares como silicio dedicado es que líneas como esas son difíciles de manejar).
Por lo general, cuanto más rápido es un dispositivo, más importantes son estos impulsos de corriente a la hora de diseñar un circuito y colocar una placa de circuito impreso para él. En este caso, "más rápido" no se refiere a la frecuencia del reloj o al número de veces que una línea cambia de estado, sino a la rapidez con la que cambia de estado en cada transición. Pero los dispositivos que deben funcionar a altas frecuencias tienen que ser capaces de cambiar el estado de sus circuitos internos o de una línea externa muy rápidamente, ya que de lo contrario no podrían terminar una transición de estado antes de que llegara la siguiente. Para llevar a cabo ese cambio de estado, el dispositivo tiene que ser capaz de extraer energía de la fuente de alimentación con la misma rapidez; de lo contrario, la fuente de alimentación o las tensiones de los nodos internos se hundirán y tendrás problemas. Por lo tanto, la distribución de energía es una parte absolutamente crítica de la alta velocidad (de nuevo, donde alta velocidad significa rápido cambio, no necesariamente frecuente cambio!) diseño.
Por eso, en muchas hojas de datos y notas de aplicación se habla mucho de la disposición de las conexiones de alimentación y el desacoplamiento, sobre todo en las piezas de alta velocidad. Volviendo a la pieza en cuestión, hay que tener muy en cuenta el impacto que la estrategia de conexión de una patilla determinada tendrá en su funcionamiento. Cualquier patilla que se utilice para suministrar corriente de funcionamiento a la pieza necesita una vía de retorno a la alimentación con una impedancia lo suficientemente baja o, en realidad, algún depósito de energía que pueda utilizarse para impulsar cambios de estado, lo que suele significar un condensador de desacoplamiento cercano. ¿Cómo de cerca? Bueno, esa es la parte complicada, pero lo principal que hay que tener en cuenta con las piezas de alta velocidad es la inductancia entre el pin y el condensador de desacoplamiento y, a continuación, la inductancia del condensador al regulador o la capacitancia de masa en otro lugar de la placa. Esta inductancia ralentizará los pulsos de corriente que el circuito integrado está tomando de la fuente de alimentación, lo que reduce la eficacia del desacoplamiento local y puede desestabilizar la fuente de alimentación local, especialmente en los malos casos en que la inductancia puede causar zumbido en el pin de alimentación.
La regla general es que la pista desde la pastilla hasta el capuchón debe ser lo más corta posible y no debe haber ninguna vía entre ellos. Si hay una vía o una pista más larga desde la tapa hasta la alimentación, NO debe estar entre la patilla y la tapa, sino en el lado de la tapa más alejado de la patilla.
A continuación se muestra un ejemplo de la disposición generalmente preferida (nótese que se trata de una placa de cuatro capas, y que los planos interiores de alimentación y tierra a los que se conectan las vías están ocultos): ![enter image description here]()
[Nota al margen: Lo ideal sería que todas las pistas de los componentes de chip salieran directamente de los extremos de los pads, no de los lados, pero una disposición simétrica como ésta, en la que las pistas pasan "a través" de los pads, es la segunda mejor disposición y tiene ventajas eléctricas al proporcionar una impedancia mínima, por lo que es un buen compromiso. Cuanto más pequeño es un componente de chip, más importante es tener en cuenta cómo afectará la geometría de las pistas de conexión al proceso de soldadura. Pero esto es una cuestión de diseño para la fabricación, no de integridad de la señal, que es la parte más importante de tu pregunta].
Esto proporciona una impedancia mínima entre la entrada de alimentación del circuito integrado (en este caso, una MCU Cortex M7 de 200 MHz) y el condensador de desacoplamiento local y, por lo general, debe reproducirse de forma independiente en cada par de patillas de alimentación. Sí, ese pequeño trazo es importante cuando hablamos de pulsos de corriente muy rápidos que pueden consumir los circuitos integrados digitales modernos. La matemática detrás de esto es la misma que para cualquier cálculo de inductancia, la diferencia es que estamos hablando de frecuencias de funcionamiento en las decenas o cientos de megahercios o más y las inductancias muy pequeñas comienzan a importar. El dispositivo en cuestión es un puente USB3 de 5 Gbps, partes del cual funcionarán al menos a 5 GHz, y las transiciones incluirán de forma inherente un contenido de frecuencia aún mayor que debe tenerse en cuenta. Es importante tener en cuenta que tanto las conexiones de alimentación como las de tierra son igualmente importantes en este caso. Se forman dos bucles, uno desde la fuente de alimentación positiva (dondequiera que esté) a través de la placa hasta la parte superior de la tapa de desacoplamiento, a través de esa tapa, luego de vuelta a través de la placa a la fuente de alimentación, y otro desde la parte superior de la tapa de desacoplamiento, a través de la pista en el IC, a través de los circuitos internos del IC, luego de vuelta por la otra pista de nuevo a la tapa. Este último bucle debe ser lo más corto posible para mantener la inductancia baja, porque cuando el circuito integrado cambia de estado y la corriente en ese bucle aumenta rápidamente para satisfacer las demandas del circuito integrado, ese cambio en la corriente se manifestará como una tensión sobre la inductancia, y la tensión en el circuito integrado caerá. Cuando el impulso de corriente disminuye, ocurre lo contrario y, en casos extremos, puede producirse un zumbido desagradable en la fuente de alimentación que puede dañar el circuito integrado o provocar su mal funcionamiento. Asumiendo que el diseño y por tanto la impedancia es simétrica entre las rutas de alimentación y tierra del bucle, ese voltaje aparecerá en ambos lados de la fuente de alimentación, de modo que cuando el carril positivo cae el carril de tierra sube. Esto sucede extremadamente rápido, y es muy difícil de medir, porque incluso una sonda de alta impedancia introduce características eléctricas parásitas que cambiarán el comportamiento eléctrico del circuito, pero se puede modelar.
La impedancia entre el condensador y el regulador en cualquier otra parte de la placa es menos importante, por lo que las vías están bien allí. De hecho, esa impedancia con la capacitancia forma una especie de filtro de paso bajo, y en algunos casos limitados se puede mejorar con impedancia adicional en forma de una resistencia o un inductor - pero esto es un poco más sutil y de nicho de lo que realmente nos ocupa aquí.
En diseños complicados, como los paquetes BGA densos, es posible que no se puedan evitar las vías entre la pieza y el capuchón o, al menos, que sean menos problemáticas que las largas pistas que se necesitarían para dirigir un pin de alimentación a un condensador de desacoplamiento junto a la pieza en la parte superior de la placa, por lo que a veces la mejor solución es una vía hasta un capuchón en la capa opuesta. Por la misma razón, algunos dispositivos, como las CPU de PC, incluyen condensadores directamente en el encapsulado del circuito integrado (que en realidad es más una mini placa de circuito impreso que los leadframes convencionales utilizados en circuitos integrados más pequeños).
En cuanto a compartir vías entre múltiples pines de alimentación, lo importante es recordar que la impedancia de una vía es fija, y su uso para servir a dos pines de alimentación aproximadamente duplica la carga eléctrica sobre ella, por lo que duplicar la corriente con una impedancia dada duplica el impacto de esa impedancia en el circuito. Por esta razón, es preferible no compartir vías entre los pines de alimentación. Sin embargo, en un diseño apretado, hay compromisos, como traer dos tapas de desacoplamiento de nuevo a una sola ubicación con dos o más vías, que es mejor que una sola vía, pero no necesariamente tan bueno como dos vías separadas. La ingeniería siempre implica compromisos, y a veces éste es aceptable.
Así que todo esto se aplica a los pines de alimentación, en cuanto a la almohadilla central, por lo general no se considera un pin de alimentación a los efectos de la entrega de energía a menos que el dispositivo no tiene otros contactos de alimentación. Sin embargo, si está conectado eléctricamente a tierra, entonces contribuye a mantener una baja impedancia de referencia de tierra para el IC, por lo que incluso si una tonelada de vías no son necesarios por razones térmicas que generalmente quieren algunos para la impedancia eléctrica.
En el caso de los pines que no se utilizan para suministrar alimentación a la pieza ni para transportar corrientes significativas, el diseño es mucho menos importante. Por supuesto, las líneas de señal de alta velocidad también deben diseñarse en función de sus requisitos eléctricos (principalmente en términos de impedancia de la traza y otros aspectos de la disposición de la línea de transmisión). Las líneas IO genéricas, o los pines de configuración que necesitan estar ligados alto o bajo generalmente no importan mucho. Normalmente se pueden encaminar al punto de conexión o vía más conveniente, y si una vía es lo suficientemente buena para uno de tus pines de alimentación no se verá afectada negativamente por la pequeña cantidad de corriente para mantener un pin de configuración bajo.
