Control de impedancia en PCB: Garantizando la integridad de la señal en circuitos de alta frecuencia

La impedancia mide la oposición de un circuito eléctrico cuando se le aplica corriente alterna. Es la combinación de la capacitancia y la inductancia de un circuito a alta frecuencia. La impedancia se mide en Ohmios, similar a la resistencia. Si las impedancias son diferentes, pueden ocurrir reflejos y atenuaciones que deterioran la señal.

En circuitos analógicos o digitales de alta frecuencia, es esencial proteger las señales que se propagan en el PCB para evitar daños. De hecho, las señales por encima de 100 MHz se ven afectadas por la impedancia de las trazas, lo que, si no se tiene en cuenta adecuadamente, puede causar errores inesperados, especialmente difíciles de analizar. Afortunadamente, el control de impedancia permite a los diseñadores y fabricantes de PCB gestionar este fenómeno.

¿Qué es el control de impedancia y la adaptación de señales?

El control de impedancia ajusta las dimensiones y ubicaciones de las trazas del PCB con las propiedades del material sustrato para mantener la señal libre de ruido y sin atenuación durante la fase de transmisión. Así, las trazas del PCB ya no se tratan como una simple conexión punto a punto. Las trazas deben considerarse como líneas de transmisión y la adaptación de impedancia se vuelve necesaria para reducir o eliminar el impacto sobre la integridad de la señal. Siguiendo buenas prácticas de diseño, muchos problemas potenciales de integridad de la señal pueden evitarse o mitigarse.

Así que, en este artículo hablaremos sobre la importancia del control de impedancia, las causas de los problemas de integridad de la señal y las formas de evitarlos.

Factores que determinan la impedancia de la línea de transmisión:

Por lo general, la impedancia de las trazas está entre 25 y 125 Ohmios y depende de los siguientes factores:

● Parte real de la constante dieléctrica: El grosor dieléctrico es directamente proporcional a la impedancia. Cuanto más grueso sea el dieléctrico, mayor será la impedancia.

● Tangente de pérdida y dispersión: La tangente de pérdida mide la pérdida de energía como calor del material dieléctrico cuando pasa la señal. Esto afecta la integridad de la señal, especialmente a altas frecuencias, causando atenuación de la señal. Los materiales con menor tangente de pérdida son preferidos en diseños de alta velocidad y RF para reducir la degradación de la señal.

● Distancia entre la traza y el plano de referencia cercano: La distancia entre dos trazas es inversamente proporcional a la impedancia. Un espaciamiento adecuado es crítico para mantener la impedancia controlada y garantizar la integridad de la señal en circuitos de alta velocidad y RF.

● Grosor y rugosidad de la traza de cobre: El grosor del cobre es inversamente proporcional a la impedancia. Cuanto más grueso sea el cobre, menor será la impedancia. El grosor del cobre puede controlarse mediante electrochapado de patrones o seleccionando material base de cobre con el grosor adecuado.

● Ancho de la traza: El ancho de la traza es inversamente proporcional a la impedancia. Las trazas más estrechas tienen una mayor impedancia, mientras que las trazas más anchas tienen una menor impedancia. Controlar el ancho de las trazas dentro de una tolerancia de +/- 20% es necesario para un mejor control de impedancia.

Por lo tanto, el diseñador de la placa debe asegurarse de que, para señales de alta frecuencia, la elección de la traza y el apilamiento permitan alcanzar un valor de impedancia objetivo, dentro de una tolerancia determinada. Las herramientas de diseño CAD electrónicas más avanzadas calculan esto automáticamente.

¿Por qué se requiere la adaptación de impedancia?

La función de una traza de PCB es transferir la potencia de la señal desde el dispositivo controlador hasta el dispositivo receptor. La potencia debe propagarse a lo largo de la longitud de la traza. Sin embargo, la máxima potencia de señal solo se logra con una adaptación de impedancia en el PCB. Según el teorema de transferencia máxima de potencia, cuando la impedancia de dos dispositivos es coincidente, se puede notar un flujo máximo de potencia a través de los dispositivos. Si no se tiene especial cuidado en la etapa de disposición del PCB, los señales de alta frecuencia se degradarán al propagarse del controlador al receptor.

Un concepto erróneo es que la velocidad del reloj del circuito determina si el circuito está operando a alta velocidad. En realidad, las señales de alta velocidad están relacionadas con el tiempo de subida/bajada de una señal de reloj, es decir, qué tan rápido cambia la señal de un estado a otro (Lógica 0 a Lógica 1).

Cómo calcular la impedancia de las trazas del PCB

Como se ha mencionado anteriormente, hay muchos factores involucrados en la determinación de la impedancia de las trazas del PCB. Las líneas de transmisión en el diseño del PCB pueden tener fórmulas diferentes, por lo que obtener valores precisos para la adaptación de impedancia no es fácil con software de código abierto. Lo mejor es ponerse en contacto con el fabricante y calcular la impedancia utilizando su herramienta de cálculo de impedancia calibrada.

La herramienta de cálculo de impedancia JLCPCB es un recurso en línea que ayuda a los diseñadores a calcular la impedancia de las trazas del PCB. Esta herramienta es esencial para diseñar circuitos de alta frecuencia donde el control de impedancia es crítico para mantener la integridad de la señal.

Características clave:

1. Selección del tipo de traza: Elija entre microstrip, stripline o pares diferenciales.

2. Parámetros de entrada: Ingrese el ancho de la traza, el grosor de la traza, la constante dieléctrica y la distancia entre la traza y el plano de referencia.

3. Cálculos instantáneos: La herramienta proporciona cálculos en tiempo real de la impedancia característica basada en los parámetros de entrada.

4. Propiedades del material: Permite seleccionar diferentes materiales de PCB, los cuales afectan la constante dieléctrica y la impedancia.

Seleccione el tipo de línea de transmisión (por ejemplo, microstrip o stripline) e ingrese la constante dieléctrica del material del PCB. Ingrese el ancho de la traza, el grosor y la distancia al plano de referencia. La herramienta calculará y mostrará el valor de la impedancia. Esta herramienta es ampliamente utilizada en el diseño de PCB para asegurar que la impedancia coincida con las especificaciones requeridas, especialmente en circuitos de alta velocidad o RF. Puede acceder al calculador de impedancia JLCPCB a través del sitio web.

¿Qué cálculos realiza un método de control de impedancia en un PCB?

Cuanto más larga sea la traza o más alta sea la frecuencia, mayor será la adaptación de impedancia requerida. Cualquier falta de rigor en esta etapa puede aumentar el tiempo de conmutación de un dispositivo electrónico o circuito y causar errores inesperados. La impedancia no controlada es difícil de analizar una vez que los componentes están montados en el circuito. Los componentes tienen capacidades de tolerancia diferentes según su lote. Un método de control de impedancia realiza los cálculos de longitud crítica según la velocidad de la señal.

Por eso, las impedancias de las trazas y sus tolerancias deben verificarse temprano en el diseño del PCB. Los diseñadores deben trabajar de la mano con el fabricante para garantizar el cumplimiento de los valores de los componentes.

Métodos para lograr la adaptación de impedancia

Un control de impedancia bien gestionado significa que la impedancia de la traza sea constante en cada punto a lo largo del camino en el PCB. Esto significa que, sin importar dónde viaje la traza, incluso si cambia de capa, la impedancia debe ser la misma a lo largo de toda la parte, desde la fuente hasta el destino.

Existen algunos criterios importantes a tener en cuenta en el diseño. Tenga en cuenta que muchos de los problemas relacionados con reflejos y EMI pueden prevenirse mediante buenas técnicas de diseño de PCB:

1) Material con baja constante dieléctrica:

En el pasado, se especificaba típicamente el FR4. Sin embargo, con los diseños de alta velocidad, el uso del material adecuado es crítico. Se recomienda y prefería el uso de un material con una menor constante dieléctrica (Dk). Esto no solo garantiza el mejor rendimiento de la señal, sino que también minimiza cualquier distorsión de la señal o fluctuación de fase. Por lo tanto, deberá seleccionar el material que sea más adecuado para su aplicación y especificarlo en sus notas de fabricación.

2) Rutas de retorno de señal:

Incluir planos de alimentación que puedan proporcionar una ruta de retorno de señal debajo de cada ruta de señal es un paso esencial para controlar la impedancia. Al evitar discontinuidades (como una fisura o ruptura en el plano de alimentación, debajo de cualquier ruta crítica), la corriente de retorno que fluye a través del plano buscará seguir la misma ruta física que la ruta en la capa de señal.

3) Apilamiento de capas:

El apilamiento de capas se refiere a la disposición de las diversas capas en un PCB, incluidas las capas de señal, planos de tierra, planos de alimentación y materiales dieléctricos. El apilamiento juega un papel importante en el control de la impedancia de las trazas de señal, lo que es crítico para la adaptación de impedancia. Una disposición adecuada de las capas es clave; las capas de señal generalmente se colocan adyacentes a los planos de referencia (ya sea tierra o planos de alimentación), lo que ayuda a estabilizar y controlar la impedancia.

Las trazas de impedancia controlada, como microstrip o stripline, se diseñan con un control preciso de la impedancia ajustando el ancho de la traza, el apilamiento de capas y las propiedades dieléctricas.

Atención cuidadosa debe prestarse a lo siguiente:

● Las líneas de traza deben mantenerse lo más cortas posible y reducirse en longitud siempre que sea posible.

● La elección de los condensadores de desacoplamiento, su cantidad y la gestión de los laços de enrutamiento.

● Los stubs de enrutamiento y discontinuidades que degraden la calidad de la señal deben evitarse.

● Para el enrutamiento de pares diferenciales, intente asegurarse de que los pares de señales tengan la misma longitud.

● El plano de referencia de tierra y las rutas de retorno de corriente.

● Las inductancias causadas por un mal empaquetado de componentes.

● Considere utilizar plata de inmersión como acabado de superficie en lugar de ENIG. El contenido de níquel en ENIG es muy absorbente y, debido al efecto piel, no es ideal para diseños de alta velocidad.

Verificación del control de impedancia

El control de impedancia puede verificarse una vez fabricado el PCB mediante el uso de cupones de prueba (un cupon de prueba es un PCB utilizado para probar la calidad del proceso de fabricación del PCB. Los cupones de prueba se fabrican en el mismo panel que los PCBs, generalmente en los bordes, y aseguran una alineación adecuada de las capas, conectividad eléctrica y la sección transversal). Luego, utilizando un Reflectómetro en el Dominio del Tiempo (TDR), se puede probar la impedancia. Posteriormente, se generará un informe que indicará si se logró la impedancia característica en su PCB.

El rendimiento general y el comportamiento EMC del equipo electrónico no solo están determinados por el diseño del circuito y la geometría del diseño, sino también por la red de distribución de energía.

Conclusión

Las señales de impedancia experimentadas en un diseño real de PCB pueden diferir significativamente del valor ideal calculado a partir de un esquema. La principal razón de esto es la existencia del sustrato y la disposición de las trazas en la placa. Esto puede resultar en consecuencias como el cruzamiento (crosstalk), que desvía los niveles de impedancia deseables. Los problemas de integridad de potencia, como los rebotes (ringing), pueden ocurrir cuando los circuitos conmutan a altas frecuencias. A frecuencias más altas, la impedancia de la red de entrega de potencia también se desviará del comportamiento óptimo capacitivo, lo que podría causar problemas con la integridad de la señal y la integridad de la potencia.

Al comprender los factores causales del desajuste de impedancia y adquirir el conocimiento de las prácticas de diseño que pueden mitigar o eliminar estos problemas, el diseñador de PCB puede crear una solución verdaderamente optimizada. Un diseño robusto que se pueda fabricar en un PCB confiable y de alto rendimiento.