Entendiendo el adaptación de impedancia para diseños de PCB de alta velocidad

Con el avance de la tecnología y la aplicación cada vez más amplia de los circuitos integrados, la frecuencia y velocidad de transmisión de señales electrónicas ha ido en aumento, lo que hace esencial que los conductores de PCB proporcionen líneas de transmisión de alto rendimiento. Estas líneas de transmisión son responsables de entregar las señales desde una fuente hasta la entrada de un receptor de manera precisa y completa. Este requisito resalta la importancia del emparejamiento de impedancia.

La impedancia eléctrica, comúnmente representada como Z y medida en ohmios (Ω), se refiere al efecto combinado de la resistencia, la inductancia y la capacitancia en los circuitos de corriente alterna (CA). La impedancia de un circuito específico no es constante; su valor depende conjuntamente de la frecuencia de CA, la resistencia (R), la inductancia (L) y la capacitancia (C), por lo que varía con los cambios en la frecuencia.

¿Qué es la adaptación de impedancia (Impedance Matching)?

La adaptación de impedancia es un proceso que asegura la compatibilidad entre una fuente de señal o línea de transmisión y su carga. Este puede clasificarse en adaptación de baja frecuencia y matching de alta frecuencia. En los circuitos de baja frecuencia, donde la longitud de onda es relativamente larga en comparación con la línea de transmisión, se pueden despreciar las reflexiones. Sin embargo, en los circuitos de alta frecuencia, con longitudes de onda más cortas y comparables a la longitud de la línea de transmisión, las señales reflejadas que se superponen con la señal original pueden alterar su forma y afectar la calidad de la señal.

Como se muestra en el diagrama anterior, una señal es transmitida desde la fuente A, pasa a través de la línea de transmisión intermedia y llega al receptor B. Durante este proceso de transmisión, las resistencias, capacitancias e inductancias parásitas en el circuito dificultan la transmisión de señales a alta velocidad. Cuando la señal se propaga entre estos elementos y encuentra impedancia inconsistente, puede provocar la reflexión de la señal, resultando en distorsión de la señal.

La adaptación de impedancia reduce o elimina eficazmente las reflexiones de señales de alta frecuencia. Las líneas de impedancia comúnmente usadas se pueden clasificar en los siguientes cuatro tipos:

Consideraciones para el diseño de impedancia

(1) Las líneas de impedancia controlada pueden diseñarse en la capa externa (los cuatro tipos mencionados anteriormente son impedancias de capa externa) o en la capa interna.

(2) La magnitud de los valores de impedancia depende del diseño del producto y del tipo de chip. En general, los fabricantes de componentes han preestablecido valores de impedancia para las fuentes de señal y los receptores (por ejemplo, SDIO: 50 ohmios simple, USB: 90 ohmios diferenciales).

(3) Las líneas de impedancia controlada deben tener una capa de referencia, que generalmente usa capas adyacentes de tierra o alimentación como referencia (por ejemplo, para la impedancia de la capa superior, la capa de referencia generalmente es la segunda capa).

(4) El propósito de la capa de referencia es proporcionar un camino de retorno para la señal y actuar como blindaje electromagnético. Por lo tanto, la capa de referencia debe estar vertida con cobre sólido.

(5) Factores que influyen en la impedancia de la línea:

Ancho de la línea: La impedancia es inversamente proporcional al ancho de la línea; cuanto más estrecha sea la línea, mayor será la impedancia.

Constante dieléctrica: La impedancia es inversamente proporcional a la constante dieléctrica; cuanto más baja sea la constante dieléctrica, mayor será la impedancia.

Espesor de la máscara de soldadura: La impedancia es inversamente proporcional al grosor de la máscara de soldadura; cuanto más gruesa sea la máscara de soldadura, menor será la impedancia.

Espesor del cobre: La impedancia es inversamente proporcional al grosor del cobre en la superficie; cuanto más delgada sea la capa de cobre, mayor será la impedancia.

Espaciado de la línea: La impedancia es directamente proporcional a la distancia entre las líneas de impedancia; cuanto mayor sea el espaciamiento, mayor será la impedancia.

Espesor de la capa dieléctrica: La impedancia es directamente proporcional al grosor de la capa dieléctrica; cuanto más gruesa sea la capa dieléctrica, mayor será la impedancia.

(6) Método de cálculo de las líneas de impedancia: Se recomienda usar el "Calculador de Impedancia" de JLCPCB (acceda aquí directamente). Alternativamente, se puede descargar software de cálculo de impedancia (como SI9000) y combinarlo con nuestros parámetros de apilamiento para realizar los cálculos.

(7) Nota rápida sobre "ancho y espaciamiento de la línea": El ancho de la línea se refiere al ancho horizontal de la línea, es decir, la distancia desde un borde de la línea hasta el otro. El espaciamiento de la línea se refiere a la distancia desde el borde de una línea (o el plano de cobre circundante) hasta el borde de una línea diferente.

Instrucciones para pedidos con control de impedancia

Para los pedidos que requieran control de impedancia, es fundamental proporcionar los requisitos de impedancia en forma de tabla o diagrama, junto con los archivos PCB comprimidos.

Abra el "Calculador de Impedancia" de JLCPCB e ingrese los valores de impedancia mientras selecciona el apilamiento de capas correspondiente y otros parámetros relevantes como el grosor de la placa. Diseñe el ancho y el espaciamiento de las líneas en sus datos de ingeniería.

Recordatorio importante: Actualmente solo podemos asegurar que el ancho y el espaciamiento de las huellas estén dentro de una tolerancia de +/- 20%.

Conclusión

La adaptación de impedancia es un aspecto crítico en el diseño de PCBs de alta velocidad, asegurando una transmisión óptima de señales y preservando la integridad de la señal. Al considerar cuidadosamente los valores de impedancia, los anchos de línea, el espaciamiento, las propiedades dieléctricas y las capas de referencia, los diseñadores pueden minimizar eficazmente las reflexiones y distorsiones de la señal. Implementar líneas de impedancia controlada y utilizar herramientas como el Calculador de Impedancia de JLCPCB puede agilizar el proceso de diseño y ayudar a lograr los valores de impedancia deseados. Con técnicas de emparejamiento de impedancia adecuadas, los diseñadores pueden mejorar el rendimiento y la fiabilidad de las PCBs de alta velocidad, permitiendo una transmisión fluida de señales electrónicas en los sistemas electrónicos modernos.