Sempre que um sinal é enviado digitalmente de um ponto para outro, ocorre uma mudança no estado de uma linha de sinal. Esta mudança de estado pode ser descrita como uma onda eletromagnética que se propaga através do circuito. A reflexão do sinal ocorre quando uma onda eletromagnética encontra uma fronteira entre dois meios diferentes. Ao atingir essa fronteira, parte da energia é transmitida como sinal e outra parte é refletida. Este processo continuará indefinidamente até que a energia seja absorvida pelo circuito ou dissipada no ambiente.

Para engenheiros eletrónicos, o meio onde esta fronteira ocorre é geralmente descrito em termos da sua impedância elétrica; ou seja, a fronteira é onde ocorre uma mudança de impedância.

As reflexões num projeto de PCB ocorrem quando um sinal elétrico encontra uma descontinuidade de impedância ao longo de uma pista. Esta descontinuidade provoca a reflexão de parte do sinal de volta para a fonte. As reflexões podem causar problemas de integridade do sinal, como distorções, ruído e erros de dados, especialmente em circuitos digitais de alta velocidade ou de RF.

Como o ruído por reflexão se torna um problema?

Devido às reflexões na linha de sinal, acumula-se energia extra no percurso, o que provoca problemas de ruído no sinal. O ruído por reflexão empurra o sinal para valores imprevisíveis e altera a forma de um sinal determinístico, transformando-o num sinal aleatório. O papel do engenheiro é minimizar a quantidade de sinal refletido e maximizar a quantidade de sinal transmitido, através da adaptação de impedância. Assim, a energia adicional será dissipada antes de se acumular e anular o sinal com ruído.

Se a energia do pulso refletido não se dissipar antes da geração do próximo pulso, essa energia acumular-se-á e somar-se-á num fenómeno chamado superposição. Após a reflexão, se a fase e a amplitude da onda se alinharem com o sinal original, formar-se-ão ondas estacionárias. Se forem formadas ondas estacionárias na linha de transmissão, será introduzido um ruído enorme no percurso do sinal. Felizmente, os sinais atenuam-se ao passarem por elementos resistivos. Assim, uma simples resistência em série pode ajudar a reduzir este efeito parasita. Iremos abordar mais métodos para reduzir o ruído ao longo deste artigo.

Análise de ruído em sinais digitais:

O teorema de Fourier demonstra que uma onda digital pode ser representada por componentes de ondas senoidais e/ou cossenoidais harmonicamente relacionadas. Se tiver um tempo de subida/descida suficientemente pequeno, um único impulso pode conter dezenas de ondas de pequena amplitude.

Na imagem abaixo, pode ver-se um sinal digital não amortecido a alternar entre os estados lógicos de baixo para alto. Para sinais de interesse prático, é possível decompor a forma de onda numa série de ondas senoidais. Como mostram as figuras acima, um sinal digital real possui uma largura de banda grande e qualquer parte dessa energia pode gerar ressonâncias no seu circuito. Isto contrasta com os sinais de radiofrequência (RF), que têm largura de banda estreita com ressonâncias fáceis de calcular.

Impedância de um circuito:

Em circuitos com resistências, indutâncias e capacitâncias, a resistência total equivalente que dificulta o fluxo de corrente no circuito é chamada de impedância. A impedância é composta por elementos resistivos e reativos. As resistências dissipam a energia do circuito sob a forma de calor. Já a energia recuperável de um circuito existe nos campos eletromagnéticos que permeiam e rodeiam os condutores, indutores e condensadores.

A impedância é normalmente representada pelo símbolo "Z" e é um número complexo, cuja parte real é conhecida como resistência e a parte imaginária como reatância. A reatância capacitiva refere-se à impedância que os condensadores oferecem à corrente alternada num circuito, enquanto a reatância indutiva refere-se à impedância que os indutores oferecem à corrente alternada. A impedância combinada resultante da reatância capacitiva e indutiva à corrente alternada é simplesmente chamada de impedância. A unidade de impedância é o ohm (Ω).

O que é controlo de impedância no design de PCBs?

Os circuitos de alta velocidade operam com frequências que podem chegar a vários GHz, tornando-os mais suscetíveis a ruído e exigindo procedimentos de design específicos. A própria placa de circuito impresso (PCB) pode apresentar variações nos parâmetros de fabrico, o que altera a impedância e pode causar distorção no sinal.

Por isso, para os condutores em PCBs de alta velocidade, os seus valores de impedância devem ser controlados dentro de uma faixa específica — a isto chama-se controlo de impedância.

Os designers de PCB devem implementar controlo de impedância em aplicações digitais de alta velocidade, processamento de sinais de alta velocidade e vídeo analógico de alta qualidade, como por exemplo em:

● DDR (Double Data Rate)

● USB

● SSD

● Ethernet Gigabit

Estas aplicações exigem integridade de sinal rigorosa, e o controlo de impedância ajuda a garantir que os sinais cheguem ao destino com mínima distorção e ruído.

Como calcular a impedância no design de PCB:

A impedância das linhas de transmissão é determinada quando se define a pilha de camadas (layer stackup) no projeto. Ter a capacidade de alterar os seguintes atributos das camadas da placa permite controlar a impedância, as perdas e o atraso de propagação durante o roteamento. Ao projetar a pilha de camadas de uma PCB, o projetista deve definir a disposição das camadas e suas espessuras, bem como selecionar os materiais utilizados na PCB. Após essas decisões, é necessário calcular a largura das trilhas da PCB para atingir a impedância de linha de transmissão desejada.

Calculadoras de linhas de transmissão para PCBs existem em grande quantidade e oferecem ferramentas para calcular impedância sem perdas, atraso de propagação sem perdas ou parâmetros simples como a resistência DC. Esses valores são úteis, mas não revelam toda a complexidade do seu projeto. É sabido que calculadoras online podem fornecer resultados incorretos para o cálculo de impedância, principalmente porque não consideram fenômenos fundamentais como dispersão e rugosidade nas linhas de transmissão.

As calculadoras online geralmente utilizam as equações de Wadell para determinar numericamente a impedância das linhas de transmissão. Calculadoras mais simples recorrem às equações IPC-2141, que são menos precisas. Uma calculadora de linhas de transmissão para PCBs encontrada online ou integrada em muitas aplicações de design não pode ser utilizada para obter valores de impedância precisos, pois não leva em conta o fator de perdas (loss tangent) nem a dispersão nesses cálculos. Por isso, é necessário um utilitário mais preciso para esse tipo de tarefa.

Fatores que determinam a impedância da linha de transmissão:

A impedância é influenciada por diversos fatores, entre os quais se destacam:

1. Parte real da constante dielétrica: A espessura do dielétrico é diretamente proporcional à impedância. Ou seja, quanto mais espesso for o dielétrico, maior será a impedância.

2. Tangente de perdas e dispersão:

A tangente de perdas no design de PCB mede a perda de energia do material dielétrico na forma de calor quando um sinal o atravessa. Ela afeta diretamente a integridade do sinal, especialmente em altas frequências, provocando atenuação. Materiais com tangente de perdas mais baixa são preferidos para projetos de alta velocidade e RF, a fim de reduzir a degradação do sinal.

3. Distância entre a pista e o plano de referência próximo:

A distância entre duas pistas é inversamente proporcional à impedância. Um espaçamento adequado é essencial para manter a impedância controlada e garantir a integridade do sinal em circuitos de alta velocidade e RF.

4. Espessura e rugosidade da pista de cobre:

A espessura do cobre é inversamente proporcional à impedância. Quanto mais espesso o cobre, menor a impedância. A espessura do cobre pode ser controlada por galvanoplastia seletiva do padrão ou pela escolha de folhas de cobre com a espessura adequada no material base.

5. Largura da pista:

A largura da pista é inversamente proporcional à impedância. Pistas mais finas apresentam maior impedância, enquanto pistas mais largas resultam em menor impedância. Controlar a largura da pista com uma tolerância de ±10% é essencial para um melhor controlo da impedância. Para garantir a precisão da largura da pista, é realizada uma compensação de engenharia nas fotomáscaras, com base no recuo da gravação, erros de litografia e erros de transferência de padrão.

Como Reduzir o Ruído de Reflexão:

Existem vários métodos que pode utilizar para gerir o ruído de reflexão no seu projeto. Eis uma visão geral de algumas das técnicas disponíveis:

1. Calcular a impedância das pistas

Mantenha a impedância constante após a pista atravessar um elemento, furo metalizado (via) ou almofada de componente. Para isso, é necessário conseguir calcular a impedância das pistas. O seu software de design de PCB deverá permitir esse cálculo, mas também existem ferramentas online disponíveis. Depois de determinar a largura das pistas e o espaçamento, mantenha esses parâmetros ao longo de todo o percurso.

2. Consistência nas pistas

Para manter a impedância constante em pares diferenciais ou pistas single-ended, deve manter constante a largura da pista, o espaçamento e a separação de outros condutores. Se uma pista aleatória atravessar um par com controlo de impedância, isso altera a impedância e cria um ponto de reflexão.

3. Reduzir os pontos de reflexão

Considere estratégias para minimizar desde o início a ocorrência de pontos de reflexão no seu circuito.

4. Atenção aos furos metalizados na borda da placa

Os furos metalizados (vias) podem ser problemáticos em circuitos de alta velocidade. Se a via se estende para além das camadas de sinal até camadas não utilizadas, a impedância muda subitamente. Na transição na borda da placa, ocorre uma discrepância de impedância, uma vez que as pistas saem da via (~50–150 ohms) e entram no ar (~377 ohms), criando um ponto de reflexão que pode degradar gravemente o sinal.

5. Realizar back-drill nas vias

A solução consiste em pedir ao fabricante da PCB que execute um “back-drill” nas vias, ou seja, remova a parte não utilizada das vias nas camadas exteriores. As vias com back-drill melhoram significativamente as transições lógicas.

Atenuar o Ruído de Reflexão Existente:

Outra técnica importante é utilizar resistências de amortecimento (damping resistors) em série, próximas de todas as fontes de sinal com tempos de subida/descida rápidos. Estas resistências são por vezes chamadas de resistências de supressão (snubber resistors). Qualquer reflexão de sinal que ocorra será rapidamente atenuada a cada passagem pela resistência. Normalmente, utilizam-se resistências inferiores a 100Ω, colocadas perto da fonte do sinal (por exemplo, fonte de relógio, GPIO, etc.).

A ideia principal é criar um circuito amortecido — onde o sinal atinge o nível lógico pretendido sem sobre-elevação excessiva (overshoot) ou oscilação (ringing).

Cálculo das Regras de Reflexão num Projeto:

Existem três parâmetros principais utilizados para caracterizar a impedância e as reflexões:

1. Coeficiente de reflexão de tensão (VRC – Voltage Reflection Coefficient): Mede a fração da tensão refletida em relação à tensão incidente.

2. Relação de onda estacionária de tensão (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio): Indica o quanto de energia é refletida e quanto forma ondas estacionárias ao longo da linha de transmissão.

3. Perda de retorno (RL – Return Loss): Representa a quantidade de sinal refletido em comparação com o sinal transmitido, geralmente em dB. Valores mais altos indicam melhor adaptação de impedância.

1) Calculadora do Coeficiente de Reflexão de Tensão (Γ):

O coeficiente de reflexão é a razão entre a amplitude da onda refletida e a onda incidente no ponto de junção. É representado pela letra grega gamma (Γ). A magnitude do coeficiente de reflexão não depende do comprimento da linha, mas sim da impedância de carga e da impedância característica da linha de transmissão.

Existem calculadoras online que permitem calcular o coeficiente de reflexão (Γ) inserindo o valor da impedância característica Zo (em ohms) e a impedância de carga ZL (em ohms). Este valor varia entre -1 (para carga em curto-circuito) e +1 (para carga em circuito aberto), sendo 0 quando há uma correspondência perfeita de impedâncias.

Onde:

● V⁻ = Amplitude da onda refletida (em volts)

● V⁺ = Amplitude da onda incidente (em volts)

Três fatores estão relacionados com este efeito:

1. A magnitude da variação de impedância

2. O tempo de subida (rise time) do sinal

3. O atraso (delay) do sinal na linha estreita

2) Calculadora de VSWR (Relação de Onda Estacionária de Tensão):

VSWR (do inglês Voltage Standing Wave Ratio) é a medida de quão eficientemente a potência de RF é transmitida para uma carga. Reflete a quantidade de sinal que é refletida de volta para o sistema.

O VSWR é a razão entre as ondas transmitidas e as ondas refletidas. Um valor alto de VSWR indica baixa eficiência na linha de transmissão e um alto nível de energia refletida. O valor de VSWR varia de 1 até infinito (positivo).

3) Calculadora de Perda por Reflexão (RL):

A Perda por Reflexão é a quantidade de potência que é dissipada na carga e não retorna para o sistema como uma reflexão. É expressa em dB (decibéis) — uma perda por reflexão elevada significa que mais potência foi absorvida pela carga. Este valor corresponde ao valor em dB do coeficiente de reflexão absoluto.

Este valor de perda será 0 dB em caso de 100% de reflexão e infinito numa ligação ideal (sem qualquer reflexão).

Calculadora de perda por reflexão (utilizando o VSWR):

Calculadora de perda por reflexão (utilizando o coeficiente de reflexão - VRC):

Ferramenta de Cálculo de Impedância da JLCPCB:

As linhas de transmissão no design de PCBs podem seguir fórmulas diferentes, o que torna difícil obter valores exatos para correspondência de impedância apenas com softwares genéricos. A melhor opção é contactar o fabricante e utilizar uma ferramenta calibrada de cálculo de impedância fornecida por ele.

A ferramenta de cálculo de impedância da JLCPCB é um recurso online disponibilizado pela JLCPCB para ajudar os designers a calcular a impedância das pistas das PCBs.

Esta ferramenta é essencial no design de circuitos de alta frequência, onde a impedância controlada é crucial para garantir a integridade do sinal.

Principais Funcionalidades:

1. Seleção do tipo de pista:

Permite escolher entre microstrip, stripline ou pares diferenciais.

2. Parâmetros de entrada:

Insira a largura da pista, espessura da pista, constante dieléctrica e a distância entre a pista e o plano de referência.

3. Cálculo instantâneo:

A ferramenta fornece resultados em tempo real para a impedância característica com base nos parâmetros inseridos.

4. Propriedades dos materiais:

Permite selecionar diferentes materiais de PCB, que influenciam a constante dieléctrica e, consequentemente, a impedância.

Selecione o tipo de linha de transmissão (por exemplo, microstrip ou stripline), introduza a constante dieléctrica do material da PCB. Indique a largura da pista, a espessura e a distância ao plano de referência. A ferramenta irá calcular e apresentar o valor da impedância.

Esta ferramenta é amplamente utilizada no design de PCBs para garantir que a impedância esteja de acordo com as especificações exigidas, especialmente em circuitos de alta velocidade ou de radiofrequência (RF). Pode aceder à calculadora de impedância da JLCPCB através do website.