A impedância mede a oposição de um circuito elétrico quando uma corrente alternada é aplicada a ele. É a combinação da capacitância e da indução de um circuito elétrico em alta frequência. A impedância é medida em Ohms, semelhante à resistência. Se as impedâncias forem diferentes, ocorrem reflexos e atenuação que deterioram o sinal.

Para circuitos analógicos ou digitais de alta frequência, é essencial proteger os sinais que se propagam na PCB contra danos. Na verdade, sinais acima de 100 MHz são impactados pela impedância das trilhas que, se não for adequadamente considerada, pode causar erros inesperados especialmente difíceis de analisar. Felizmente, o controle de impedância permite que projetistas e fabricantes de PCB gerenciem o fenômeno.

O que é Controle de Impedância e Casamento de Sinal

O controle de impedância iguala as dimensões e localizações das trilhas da PCB com as propriedades do material do substrato para manter o sinal livre de ruído e não atenuado durante a fase de transmissão. Assim, as trilhas de Placas de Circuito Impresso (PCB) não podem mais ser tratadas como uma simples conexão ponto a ponto. As trilhas precisam ser consideradas como linhas de transmissão e o casamento de impedância torna-se necessário para reduzir ou eliminar o impacto na Integridade do Sinal. Seguindo boas práticas e abordagens de design, muitos problemas potenciais de integridade de sinal podem ser evitados ou mitigados.

Portanto, aqui falaremos sobre a importância do controle de impedância, as causas dos problemas de integridade de sinal e formas de evitá-los.

Fatores que Determinam a Impedância da Linha de Transmissão:

Normalmente, a impedância da trilha está entre 25 e 125 Ohms e depende dos seguintes fatores:

● A parte real da constante dielétrica: A espessura do dielétrico é diretamente proporcional à impedância. Quanto mais espesso o dielétrico, maior a impedância.

● Tangente de perda e dispersão: A tangente de perda no design de PCB mede a perda de energia do material dielétrico como calor quando um sinal passa por ele. Isso impacta a integridade do sinal, especialmente em altas frequências, causando atenuação do sinal. Materiais com tangente de perda menor são preferidos para designs de alta velocidade e RF para reduzir a degradação do sinal.

● Distância entre a trilha e o plano de referência próximo:  A distância entre duas trilhas é inversamente proporcional à impedância. O espaçamento adequado é crítico para manter a impedância controlada e garantir a integridade do sinal em circuitos de alta velocidade e RF.

● Espessura e rugosidade da trilha de cobre: A espessura da folha de cobre é inversamente proporcional à impedância. Quanto mais espesso o cobre, menor a impedância. A espessura do cobre pode ser controlada através de eletroplating de padrão ou selecionando folha de cobre do material base com a espessura adequada.

● Largura da trilha: A largura da trilha é inversamente proporcional à impedância. Trilhas mais finas têm impedância maior, enquanto trilhas mais largas têm impedância menor. Controlar a largura da trilha dentro de uma tolerância de +/- 20% é necessário para um melhor controle de impedância. Para garantir a precisão da largura da trilha, uma compensação de engenharia é realizada nas fotomáscaras com base no undercut de ataque, erros litográficos e erros de transferência de padrão.

O projetista da placa deve, portanto, garantir que, para sinais de alta frequência, sua escolha de trilha e empilhamento permita alcançar um valor de impedância alvo, com uma certa tolerância. As ferramentas de design CAD eletrônico mais avançadas calculam isso automaticamente.

Por que o Casamento de Impedância é Necessário?

A função de uma trilha de PCB é transferir a potência do sinal do dispositivo driver para o dispositivo receptor. A potência precisa ser propagada ao longo de toda a extensão da trilha. No entanto, a potência máxima do sinal só pode ser alcançada com impedância correspondente na PCB. De acordo com o teorema da máxima transferência de potência, quando a impedância de dois dispositivos corresponde, pode-se observar o máximo fluxo de potência entre os dispositivos. Se não for tomado cuidado especial na etapa de layout da PCB, então os sinais de alta frequência definitivamente se degradarão ao se propagarem do driver para o receptor.

Um equívoco é que a velocidade do clock do circuito determina se o circuito está operando em alta velocidade. Mas os sinais de alta velocidade estão relacionados ao tempo de subida/descida de um sinal de clock, o quão rápido um sinal muda de um estado para outro (Lógico 0 e Lógico 1).

Como Calcular a Impedância da Trilha da PCB?

Como mencionado acima, há muitos fatores envolvidos na determinação da impedância da trilha da PCB. Linhas de transmissão no design de PCB podem ter fórmulas diferentes, então valores precisos para casamento de impedância não são fáceis de obter com software -código aberto. O melhor é entrar em contato com o fabricante e calcular a impedância a partir de sua ferramenta de calculadora de impedância calibrada.

A ferramenta de calculadora de impedância da JLCPCB é um recurso online fornecido pela JLCPCB para ajudar os projetistas a calcular a impedância das trilhas da PCB. Esta ferramenta é essencial para projetar circuitos de alta frequência onde a impedância controlada é crítica para manter a integridade do sinal.

Recursos Principais:

1. Seleção de Tipo de Trilha: Escolha entre microstrip, stripline ou pares diferenciais.

2. Parâmetros de Entrada: Insira a largura da trilha, espessura da trilha, constante dielétrica e a distância entre a trilha e o plano de referência.

3. Cálculos Instantâneos: A ferramenta fornece cálculos em tempo real para impedância característica com base nos parâmetros de entrada.

4. Propriedades do Material: Permite selecionar diferentes materiais de PCB, que afetam a constante dielétrica e a impedância.

Selecione o tipo de linha de transmissão (por exemplo, microstrip ou stripline) e insira a constante dielétrica do material da PCB. Insira a largura da trilha, espessura e distância para o plano de referência. A ferramenta calculará e exibirá o valor da impedância. Esta ferramenta é amplamente utilizada no design de PCB para garantir que a impedância corresponda às especificações necessárias, particularmente em circuitos de alta velocidade ou RF. Você pode acessar a calculadora de impedância da JLCPCB através do site.

Quais Cálculos um método de Controle de Impedância realiza na PCB?

Quanto mais longa a trilha ou maior a frequência, mais adaptação em Impedância é necessária. Qualquer falta de rigor nesta etapa pode aumentar o tempo de comutação de um dispositivo ou circuito eletrônico e causar erros inesperados. Impedância não controlada é difícil de analisar uma vez que os componentes estão montados no circuito. Os componentes têm diferentes capacidades de tolerância dependendo do lote. Um método de controle de impedância realiza os cálculos de comprimento crítico dependendo da velocidade do sinal.

É por isso que as impedâncias das trilhas e suas tolerâncias devem ser verificadas no início do design da PCB. Os projetistas devem trabalhar lado a lado com o fabricante para garantir o cumprimento dos valores dos componentes.

Métodos para Alcançar o Casamento de Impedância?

Impedância bem controlada significa que a impedância da trilha é constante em cada ponto ao longo do caminho na PCB. Isso significa que, onde quer que a trilha percorra, mesmo que mude de camadas, a impedância deve ser a mesma em toda a parte, desde a fonte até o destino.

Existem alguns critérios de design importantes que precisamos considerar. Tenha em mente que muitos dos problemas relacionados a reflexos relacionados a EMI podem ser prevenidos por boas técnicas de design de PCB:

1) Material com Baixa Constante Dielétrica:

No passado, tipicamente FR4 era especificado. Mas, com designs de alta velocidade, o uso do laminado correto é crítico. O uso de um material com uma constante dielétrica (Dk) menor é aconselhável e preferido. Isso não apenas garante o melhor desempenho do sinal, mas também minimizará qualquer distorção do sinal ou jitter de fase do sinal. Então, você precisaria selecionar o material que seja mais adequado para sua aplicação e especificá-lo em suas notas de fabricação.

2) Caminhos de Retorno do Sinal:

Incluir planos de energia que possam fornecer um caminho de retorno do sinal abaixo de cada caminho de sinal é uma etapa essencial no controle de impedância. Evitando descontinuidades (como uma divisão ou abertura no plano de energia, abaixo de qualquer roteamento crítico), a corrente de retorno fluindo através do plano procurará seguir o mesmo caminho físico que a rota na camada de sinal.

3) Empilhamento de Camadas:

Um empilhamento de camadas refere-se ao arranjo de várias camadas em uma PCB, incluindo camadas de sinal, planos de terra, planos de energia e materiais dielétricos. O empilhamento desempenha um papel significativo no controle da impedância das trilhas de sinal, que é crítico para o casamento de impedância. O arranjo adequado das camadas é fundamental; as camadas de sinal são tipicamente colocadas adjacentes a planos de referência (seja planos de terra ou de energia), o que ajuda a estabilizar e controlar a impedância.

Trilhas de impedância controlada, como microstrip ou stripline, são projetadas com controle preciso de impedância ajustando a largura da trilha, o empilhamento de camadas e as propriedades dielétricas.

Atenção especial deve ser dada a:

● As linhas de trilha devem ser mantidas o mais curtas possível e reduzir comprimentos onde quer que possível.

● A escolha dos capacitores de desacoplamento e a quantidade necessária e loops de roteamento.

● Stubs de roteamento e descontinuidades, que degradam a qualidade do sinal, devem ser evitados.

● Para roteamento de par diferencial, tente garantir que os pares de sinais tenham o mesmo comprimento.

● Plano de referência de terra e caminhos de retorno de corrente.

● Indutâncias causadas por embalagens de componentes inadequadas.

● Considere usar prata imersa como acabamento de superfície em vez de ENIG. O teor de níquel no ENIG é muito perdulário e, devido ao efeito skin, não é muito bom para designs de alta velocidade.

Verificação do Controle de Impedância

O controle de impedância pode ser verificado após a fabricação da PCB usando cupons de teste (um cupom de teste é uma PCB usada para testar a qualidade de um processo de fabricação de PCB. Os cupons de teste são fabricados no mesmo painel que as PCBs, tipicamente nas bordas, e garantem o alinhamento adequado das camadas, conectividade elétrica e seção transversal). Então, usando um Reflectômetro de Domínio do Tempo (TDR), a impedância pode ser testada. Subsequentemente, um relatório será gerado para indicar se a impedância característica foi alcançada em sua PCB.

O desempenho geral e o comportamento EMC do equipamento eletrônico não são determinados apenas pelo design do circuito e pela geometria do layout, mas também pela rede de distribuição de energia.

Conclusão

As impedâncias de sinal experimentadas em um layout real de PCB podem diferir muito do valor ideal que você calculou a partir de um esquemático. A principal razão para isso é a existência do substrato e o layout de trilhas da placa. Isso resulta em consequências como crosstalk, que desviam dos níveis de impedância desejáveis. Problemas de integridade de energia como ringing podem ocorrer quando os circuitos comutam em altas frequências. Em frequências mais altas, a impedância da rede de entrega de energia também divergirá do comportamento capacitivo ideal, o que pode causar problemas com integridade de sinal e integridade de energia.

Ao compreender os fatores causais para o descasamento de impedância e adquirir o conhecimento das práticas de design que podem mitigar ou remover problemas de impedância, o projetista de PCB pode criar uma solução verdadeiramente engenhosa. Um design robusto que pode ser fabricado em uma placa de circuito impresso confiável e de alto desempenho.