Projetar PCBs de alta frequência apresenta desafios únicos, particularmente no roteamento e na configuração do empilhamento. O planejamento e a execução adequados são essenciais para garantir a integridade do sinal e o desempenho ideal. Abaixo, exploramos problemas comuns e estratégias para resolvê-los.

A integridade do sinal está principalmente relacionada ao casamento de impedância. Fatores que afetam o casamento de impedância incluem a arquitetura da fonte do sinal, a impedância de saída, a impedância característica da trilha, as características da carga e a topologia. As soluções envolvem terminação e ajuste da topologia da trilha. Projetos de alta velocidade são mais propensos a EMI/EMC, veja como melhorar o desempenho EMI-EMC da sua PCB por meio de um melhor design de layout.

Desafios de Roteamento em PCBs de Alta Frequência:

Circuitos de alta frequência são altamente sensíveis à interferência eletromagnética (EMI) e ao crosstalk, tornando o roteamento preciso crítico. Roteamento inadequado pode levar à degradação do sinal, aumento de ruído e problemas de funcionalidade. Algumas soluções são:

• Controle de Impedância: Mantenha a impedância das trilhas consistente usando largura e espaçamento adequados com base no material da PCB e na frequência do sinal.

• Minimize o Crosstalk: Mantenha as trilhas de sinal de alta velocidade afastadas e use pares diferenciais para reduzir o ruído.

• Evite Reflexão de Sinal: Corrija os comprimentos das trilhas para pares diferenciais e garanta uma terminação adequada.

• Reduza o Uso de Vias: Limite a quantidade de vias para evitar perda de integridade do sinal e atrasos desnecessários.

Roteamento Manual vs. Automático para Sinais de Alta Velocidade?

A maioria dos softwares avançados de roteamento de PCB inclui roteadores automáticos com restrições configuráveis para controlar os métodos de roteamento e o número de vias. As capacidades dos motores de roteamento e as restrições disponíveis variam significativamente entre diferentes empresas de EDA. Por exemplo, a capacidade de controlar o padrão de roteamento serpenteante (zigzag) ou o espaçamento entre pares diferenciais pode variar.

Essa variabilidade afeta se as trilhas roteadas automaticamente estão alinhadas com a intenção do projetista. Além disso, a facilidade de ajuste manual está intimamente relacionada à capacidade do motor de roteamento, como a capacidade de empurrar trilhas, vias ou até trilhas próximas a áreas de cobre. Portanto, selecionar um motor de roteamento com capacidades sólidas é a chave para resolver esses problemas.

Dicas para alcançar um melhor roteamento no design de PCB de HF:

1. Separe as seções analógica e digital: Geralmente, separar os aterramentos digital e analógico é correto. É importante garantir que as trilhas de sinal não cruzem regiões separadas (fossos), e evitar comprimentos excessivos dos caminhos de corrente de retorno para alimentação e sinais.

2. Roteamento de Osciladores de Cristal: São circuitos oscilatórios de feedback positivo analógico. Para gerar sinais de oscilação estáveis, especificações de ganho de loop e fase devem ser atendidas. Essas especificações são suscetíveis a interferências, e até mesmo a adição de trilhas de guarda de terra pode não isolar completamente a interferência. Se o oscilador for colocado muito longe, ruído no plano de terra pode afetar o circuito de oscilação. Portanto, o cristal oscilador deve ser colocado o mais próximo possível do chip.

3. Redução de EMI: O princípio fundamental é que resistores, capacitores ou contas de ferrite adicionados para mitigação de EMI não devem causar não conformidade com as características elétricas do sinal. É melhor priorizar a solução ou redução de problemas de EMI usando arranjos de roteamento e técnicas de empilhamento de camadas da PCB, como rotear sinais de alta velocidade em camadas internas. Resistores, capacitores ou contas de ferrite devem ser usados como último recurso para minimizar danos à integridade do sinal.

O que é Roteamento Diferencial?

Sinalização diferencial, também conhecida como sinais diferenciais, usa dois sinais completamente idênticos e polarizados opostamente para transmitir um dado. A decisão é baseada na diferença de tensão entre os dois sinais. Para garantir que os dois sinais sejam totalmente consistentes, o roteamento deve manter o paralelismo, com largura e espaçamento uniformes.

O roteamento de par diferencial deve ser apropriadamente próximo e paralelo. O espaçamento afeta a impedância diferencial, um parâmetro crítico de design. O paralelismo garante impedância diferencial consistente. Variações no espaçamento podem levar a impedância diferencial inconsistente, afetando a integridade do sinal e o atraso de temporização.

Como Realizar Roteamento Diferencial em um Design?

O roteamento de par diferencial requer duas considerações-chave: garantir comprimentos iguais das trilhas para o par e manter espaçamento constante (determinado pela impedância diferencial) entre as duas trilhas. Essas trilhas devem permanecer paralelas. O roteamento paralelo pode ser implementado de duas formas: lado a lado na mesma camada ou sobrepostas em camadas adjacentes. O método lado a lado é mais comumente usado.

• Roteamento diferencial para um sinal de clock com saída única:  Roteamento diferencial só faz sentido quando tanto a fonte do sinal quanto o receptor são sinais diferenciais. Portanto, não é possível usar roteamento diferencial para um sinal de clock com saída única.

• Conceito de resistor de casamento: Um resistor de casamento é tipicamente adicionado entre o par diferencial no receptor. O valor do resistor deve corresponder à impedância diferencial para melhorar a qualidade do sinal.

• Fio de terra entre par diferencial: Geralmente, fios de terra não devem ser adicionados entre sinais diferenciais. Isso porque a principal vantagem dos sinais diferenciais é seu acoplamento mútuo, que traz benefícios como cancelamento de fluxo e imunidade a ruído. Adicionar fios de terra no meio interromperia o efeito de acoplamento.

Preenchimento de Cobre nas Camadas da PCB:  

Na maioria dos casos, o preenchimento de cobre em áreas vazias é conectado ao terra. No entanto, ao preencher cobre próximo a trilhas de sinal de alta velocidade, deve-se ter cuidado com a distância entre o preenchimento de cobre e as trilhas de sinal, pois o preenchimento pode reduzir levemente a impedância característica das trilhas. Além disso, certifique-se de que o preenchimento de cobre não afete a impedância característica de outras camadas, como em configurações de dupla stripline.

1. EMC (Compatibilidade Eletromagnética): Grandes áreas de cobre de terra ou alimentação atuam como escudos. Certos aterramentos especiais, como PGND, fornecem funções de proteção.

2. Requisitos de fabricação da PCB: Para garantir uma placação eficaz ou evitar deformação durante a laminação, cobre é preenchido em camadas da PCB com menos trilhas.

3. Requisitos de integridade do sinal: O preenchimento de cobre fornece um caminho de retorno completo para sinais digitais de alta frequência e reduz a necessidade de trilhas para redes DC. Também é usado para dissipação de calor e para atender requisitos especiais de montagem de componentes.

O que é um "Caminho de Retorno do Sinal"?

O caminho de retorno do sinal, também conhecido como corrente de retorno, refere-se ao caminho pelo qual a corrente flui de volta ao driver. Na transmissão de sinal digital de alta velocidade, o sinal viaja do driver pela linha de transmissão da PCB até a carga, e então retorna da carga pelo caminho mais curto via camada de terra ou alimentação ao driver. Esse sinal de retorno é referido como caminho de retorno do sinal.

O Dr. Johnson explicou em seu livro que a transmissão de sinal de alta frequência é essencialmente um processo de carregamento da capacitância dielétrica entre a linha de transmissão e a camada DC. A análise de Integridade do Sinal (SI) examina as propriedades eletromagnéticas desse campo e seu acoplamento.

Problemas de Empilhamento em PCBs de Alta Frequência

Para uma placa de 4 camadas, definir um pad ou via livre como multilayer garante que ele apareça em todas as quatro camadas. Se definido apenas para a camada superior, ele aparecerá exclusivamente no topo. Empilhamentos de camadas incorretos podem agravar EMI, desajustes de impedância e problemas térmicos, afetando o desempenho da placa. Algumas soluções são:

• Otimização da Configuração de Camadas: Use planos dedicados de terra e alimentação para melhorar o escudo EMI e manter a integridade do sinal.

• Seleção de Material Dielétrico: Escolha materiais com baixo fator de dissipação (Df) e constante dielétrica estável (Dk) para perda mínima de sinal.

• Planejamento das Camadas de Sinal: Certifique-se de que sinais críticos de alta frequência tenham planos de referência adjacentes para minimizar ruído e crosstalk.

• Gerenciamento Térmico: Use planos de cobre e vias térmicas para dissipar calor eficientemente.

Exemplo: Gerenciamento de Alimentação em uma PCB de 12 camadas com três camadas de alimentação (2,2V, 3,3V, 5V):

Haver as três fontes de alimentação em três camadas separadas melhora a qualidade do sinal, pois a divisão entre camadas de planos é improvável. A divisão entre planos é um fator crítico que afeta a qualidade do sinal, embora softwares de simulação geralmente ignorem isso. Para planos de alimentação e terra, ambos são equivalentes para sinais de alta frequência.

Na prática, além da qualidade do sinal, fatores como o acoplamento entre planos de alimentação (usando planos de terra adjacentes para reduzir a impedância AC dos planos de alimentação) e o empilhamento simétrico de camadas também devem ser considerados.

Como os arranjos de empilhamento podem ajudar a reduzir problemas de EMI?

EMI deve ser abordada no nível do sistema; a PCB sozinha não resolve todos os problemas. Em relação ao design de empilhamento para redução de EMI, o objetivo é fornecer o caminho de retorno mais curto para os sinais, minimizar a área de acoplamento e suprimir interferência de modo diferencial.

Além disso, acoplar fortemente as camadas de terra e alimentação, com a camada de alimentação adequadamente recuada em relação à camada de terra, ajuda a mitigar interferência de modo comum.

Seleção de Materiais de Alta Frequência

Escolher o material da PCB requer encontrar um equilíbrio entre atender aos requisitos de design, fabricabilidade e custo. Os requisitos de design incluem aspectos elétricos e mecânicos. Ao projetar PCBs de muito alta velocidade (frequências maiores que GHz), as considerações de material tornam-se mais críticas.

Por exemplo, o material FR-4 comumente usado pode causar atenuação significativa do sinal devido à perda dielétrica em frequências de vários GHz, tornando-se inadequado. Do ponto de vista elétrico, a constante dielétrica e a perda dielétrica do material devem ser compatíveis com a frequência projetada. Materiais como FR-4 podem não ser suficientes para ultra-altas frequências devido às suas variações mais altas de Df e Dk. Algumas soluções para esse problema são:

• Use laminados especializados de alta frequência como Rogers, Isola ou Taconic que suportam transmissão estável de sinal.

• Valide a compatibilidade do material com os processos de fabricação para evitar delaminação ou deformação.

Dicas para evitar interferência de alta frequência?

A ideia básica para evitar interferência de alta frequência é minimizar a interferência do campo eletromagnético de sinais de alta frequência, também conhecida como crosstalk. Isso pode ser alcançado aumentando a distância entre sinais de alta velocidade e sinais analógicos ou adicionando trilhas de guarda/derivação de terra próximas aos sinais analógicos. Além disso, preste atenção à interferência de ruído do terra digital para o terra analógico.

Simulação e Teste:

Os fabricantes estão usando teste de raio-X para detectar problemas como defeitos de ataque químico ou laminação. Para placas acabadas após montagem SMT, tipicamente é usado o ICT (Teste em Circuito), exigindo que pontos de teste ICT sejam adicionados durante o design da PCB. Se surgirem problemas, equipamentos especializados de inspeção por raio-X podem identificar se as falhas foram causadas durante a fabricação. Algumas soluções são:

• Use ferramentas de simulação como HFSS ou ADS para modelar o comportamento do sinal.

• Realize análise de Integridade do Sinal (SI) e Integridade de Alimentação (PI) para validar suposições de design.

• Use Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) e Analisadores de Rede Vetorial (VNA) para validação no mundo real.

Ao abordar cuidadosamente os desafios de roteamento e empilhamento, designs de PCB de alta frequência podem alcançar transmissão confiável de sinal, ruído mínimo e desempenho consistente. A seleção adequada de materiais, otimização de camadas e testes rigorosos garantem que seus designs atendam às demandas das aplicações modernas de alta velocidade.

O que são Cupons de Teste?

Cupons de teste são usados para medir a impedância característica de uma PCB fabricada usando um Reflectômetro no Domínio do Tempo (TDR) para garantir que atenda aos requisitos de design. Tipicamente, a impedância controlada inclui linhas single-ended e pares diferenciais. Portanto, a largura e o espaçamento das trilhas no cupom de teste (para pares diferenciais) devem corresponder às linhas controladas na PCB.

O aspecto mais crítico é a localização do ponto de aterramento durante a medição. Para minimizar a indutância do fio de terra, o ponto de aterramento da ponta de prova TDR geralmente está muito próximo ao ponto de medição do sinal (ponta da ponta de prova). Assim, a distância e o método do ponto de medição do sinal e o ponto de aterramento no cupom de teste devem corresponder à ponta de prova sendo usada.

Pontos de teste em sinais de alta velocidade: Se a qualidade do sinal é afetada depende de como os pontos de teste são adicionados e da velocidade do sinal. Geralmente, pontos de teste externos (não usando vias existentes ou pinos DIP como pontos de teste) podem ser adicionados diretamente na trilha ou puxando um pequeno ramo da trilha.

Em princípio, os pontos de teste devem ser os menores possíveis (enquanto atendem aos requisitos do equipamento de teste), e os ramos devem ser mantidos os mais curtos possível.

Perguntas Frequentes:

1. Você pode recomendar alguns livros e recursos sobre design de PCB de alta velocidade?

• “Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic” de Howard Johnson.
• "Signal and Power Integrity – Simplified" de Eric Bogatin.
• "Electromagnetic Compatibility Engineering" de Henry W. Ott.

Esses livros cobrem integridade do sinal, EMI e estratégias práticas de design. Recursos online como os blogs da Cadence, Keysight e JLCPCB também fornecem tutoriais valiosos e dicas de design.

2. O design de placas flexíveis e rígido-flexíveis requer software e padrões especializados?

Sim, o design de PCBs flexíveis e rígido-flexíveis frequentemente requer software especializado como Altium Designer, Cadence Allegro ou Mentor Graphics, pois essas ferramentas suportam recursos únicos como simulações de dobra e configurações de empilhamento de camadas. Padrões como o IPC-2223 são essenciais para garantir confiabilidade, cobrindo diretrizes para seleção de materiais, tolerâncias de dobra e roteamento de trilhas.