¿Qué es el control de impedancia y cómo realizarlo en PCB?

En el diseño de dispositivos electrónicos modernos, las PCB desempeñan un papel crucial. Su rendimiento afecta directamente la estabilidad, la fiabilidad y la eficiencia de transmisión de todo el sistema electrónico. Entre ellos, el control de impedancia es un componente fundamental del diseño de PCB. Dado que los circuitos digitales modernos ofrecen tiempos de transmisión de señal más cortos y frecuencias de reloj más altas, las pistas de la PCB ya no son simples conexiones, sino líneas de transmisión. El control de impedancia de la PCB se refiere al control de la velocidad de transmisión y la adaptación de impedancia de las señales en la PCB para garantizar la calidad y la estabilidad de la transmisión.

En situaciones prácticas, es necesario controlar la impedancia de la traza cuando la velocidad marginal digital es superior a 1 ns o la frecuencia analógica supera los 300 MHz. Uno de los parámetros clave de la traza de PCB es su impedancia característica (es decir, la relación entre el voltaje y la corriente cuando la onda se transmite a lo largo de la línea de transmisión de la señal). La impedancia característica de los cables en las PCB es un indicador importante del diseño de la PCB. Especialmente en el diseño de PCB de alta frecuencia, es necesario considerar si la impedancia característica del cable es consistente o coincide con la impedancia característica requerida del dispositivo o la señal. Esto implica dos conceptos: control de impedancia y adaptación de impedancia. Este artículo se centra en los problemas del control de impedancia y el diseño de la pila.

Se transmiten diversas señales en los conductores de la PCB. Para mejorar su velocidad de transmisión, es necesario aumentar su frecuencia. El valor de impedancia del circuito varía debido a factores como el grabado, el grosor de la capa y el ancho del cable, entre otros, lo que causa distorsión de la señal. Por lo tanto, el valor de impedancia de los conductores en las PCB de alta velocidad debe controlarse dentro de un rango determinado, denominado "control de impedancia".

La impedancia de las pistas de PCB se determina por su inductancia inductiva y capacitiva, su resistencia y su coeficiente de conductividad. Los factores que afectan la impedancia del cableado de PCB incluyen principalmente el ancho y el grosor del cable de cobre, la constante dieléctrica y el grosor del medio, el grosor de la almohadilla de soldadura, la trayectoria del cable de tierra y el cableado circundante, etc. El rango de impedancia de una PCB es de 25 a 120 ohmios.

En la práctica, las líneas de transmisión de PCB suelen constar de una pista de cable, una o más capas de referencia y materiales aislantes. La pista y la capa constituyen la impedancia de control. Las PCB suelen adoptar estructuras multicapa, y el control de impedancia también puede construirse de diversas maneras. Sin embargo, independientemente del método utilizado, el valor de la impedancia vendrá determinado por su estructura física y las propiedades electrónicas del material aislante.

Una microbanda es una tira de cable que se refiere a una línea de transmisión con un solo lado con plano de referencia. La parte superior y los lados están expuestos al aire (o recubiertos) y se ubican en la superficie de una PCB con aislamiento constante Er, con la capa de alimentación o tierra como referencia. Como se muestra en la siguiente figura:

Nota: En la fabricación de PCB, la fábrica suele aplicar una capa de tinta verde sobre la superficie. Por lo tanto, en los cálculos de impedancia, el modelo que se muestra en la siguiente figura se utiliza generalmente para líneas de microbanda superficiales.

Una línea de banda es una tira de cable colocada entre dos planos de referencia, como se muestra en la siguiente figura. Las constantes dieléctricas del dieléctrico representado por H1 y H2 pueden ser diferentes.

Los dos casos anteriores son solo una demostración típica de microbandas y líneas de banda, que suelen utilizarse para el aprendizaje de hardware inteligente de IoT integrado y otros sistemas. Existen muchos tipos específicos de microbandas y líneas de banda, como las microbandas recubiertas, que se relacionan con la estructura de apilamiento específica de las PCB.

La ecuación utilizada para calcular la impedancia característica requiere cálculos matemáticos complejos, generalmente mediante métodos de resolución de campo, incluyendo el análisis de elementos de contorno. Por lo tanto, con el software especializado de cálculo de impedancia SI9000, basta con controlar los parámetros de la impedancia característica:

La constante dieléctrica Er de la capa de aislamiento, el ancho del cableado W1 y W2 (trapezoidal), el espesor del cableado T y el espesor de la capa de aislamiento H.

W – ancho de línea diseñado

A – pérdida de grabado (ver tabla anterior)

La razón del ancho inconsistente entre la parte superior e inferior de la línea es que durante el proceso de fabricación de PCB, la corrosión ocurre de arriba a abajo, lo que da como resultado una forma trapezoidal de la línea corroída.

Existe una relación correspondiente entre el espesor de la línea T y el espesor de cobre de esta capa, como sigue:

* Debido a la pequeña influencia del espesor de la máscara de soldadura en la impedancia, se supone que es un valor constante de 0,5 mil.

Podemos controlar la impedancia controlando estos parámetros. Tomando como ejemplo la placa de circuito impreso inferior de Anwei, explicaremos los pasos del control de impedancia y el uso del SI9000:

La segunda capa es el plano de tierra, la quinta capa es el plano de potencia y las capas restantes son las capas de señal.

Explicación: El dieléctrico entre las capas intermedias es FR-4, con una constante dieléctrica de 4,2; las capas superior e inferior son capas desnudas que entran en contacto directo con el aire, y la constante dieléctrica del aire es 1.

Los diseñadores de PCB pueden aprovechar al máximo la estructura jerárquica de las PCB para controlar la impedancia. Al colocar diferentes capas de señal en diferentes posiciones, se puede controlar eficazmente la capacitancia y la inductancia entre capas. En general, la capa interna utiliza materiales de alta impedancia y la externa, de baja impedancia, para reducir el impacto de la reflexión y la diafonía.

Las líneas de transmisión de señales diferenciales ofrecen una mejor capacidad antiinterferente y reducen el riesgo de diafonía. Consisten en un par de cables paralelos con voltajes opuestos pero de igual tamaño, lo que proporciona una mejor integridad de la señal y capacidad antiinterferente. La impedancia de las líneas de transmisión de señales diferenciales suele controlarse mediante la selección del espaciado, el ancho y el plano de tierra de las líneas.

Parámetros geométricos como el ancho, el espaciado y la disposición de las líneas de PCB también pueden utilizarse para controlar la impedancia. En líneas de microbanda comunes, un mayor ancho de línea y un mayor espaciado pueden reducir la impedancia. En líneas coaxiales, diámetros interiores y radios exteriores menores pueden aumentar la impedancia. La selección de la geometría del cableado requiere una optimización basada en los requisitos específicos de impedancia y la frecuencia de la señal.

La constante dieléctrica de los materiales de PCB también afecta la impedancia. La elección de materiales con propiedades dieléctricas estables forma parte del control de la impedancia. En aplicaciones de alta frecuencia y alta velocidad, los materiales más comunes incluyen FR-4 (placa reforzada con fibra de vidrio), PTFE (politetrafluoroetileno) y laminados de radiofrecuencia (RF).

Antes de diseñar la PCB, el uso de herramientas de simulación y diseño permite a los diseñadores verificar y optimizar la impedancia con rapidez y precisión. Estas herramientas simulan el comportamiento del circuito, las pérdidas de transmisión de señal y las interacciones electromagnéticas para determinar los parámetros óptimos de diseño de la PCB. Algunas herramientas de simulación comunes son CST Studio Suite, HyperLynx y ADS.

El control de impedancia de la PCB desempeña un papel crucial en los circuitos digitales y analógicos de alta velocidad. Mediante un diseño jerárquico razonable, el uso de líneas de transmisión de señales diferenciales, el control de la geometría del cableado, la selección de materiales adecuados para la PCB y el uso de herramientas de simulación y diseño, se puede lograr un control preciso de la impedancia, mejorando así el rendimiento del circuito y la integridad de la señal.