O que é controle de impedância e como realizá-lo em placas de circuito impresso (PCBs)?

No projeto de dispositivos eletrônicos modernos, as placas de circuito impresso (PCBs) desempenham um papel crucial. O desempenho das PCBs afeta diretamente a estabilidade, a confiabilidade e a eficiência de transmissão de todo o sistema eletrônico. Dentre seus aspectos, o controle de impedância é uma parte importante do projeto de PCBs. Como os circuitos digitais modernos possuem tempos de transmissão de sinal mais curtos e taxas de clock mais altas, as trilhas da PCB não são mais simples conexões, mas sim linhas de transmissão. O controle de impedância da PCB refere-se ao controle da velocidade de transmissão e à adaptação de impedância dos sinais na PCB para garantir a qualidade e a estabilidade da transmissão do sinal.

Em situações práticas, é necessário controlar a impedância da trilha quando a velocidade marginal digital for superior a 1 ns ou a frequência analógica exceder 300 MHz. Um dos parâmetros-chave da trilha da placa de circuito impresso (PCI) é sua impedância característica (ou seja, a relação entre a tensão e a corrente quando a onda é transmitida ao longo da linha de transmissão do sinal). A impedância característica dos fios na PCI é um indicador importante do projeto da placa. Especialmente no projeto de PCI de alta frequência, é necessário considerar se a impedância característica do fio é compatível ou corresponde à impedância característica requerida do dispositivo ou sinal. Isso envolve dois conceitos: controle de impedância e casamento de impedância. Este artigo se concentra nas questões de controle de impedância e projeto de trilhas.

Diversos sinais são transmitidos pelos condutores da placa de circuito impresso (PCB). Para melhorar a taxa de transmissão, é necessário aumentar a frequência. O valor da impedância do circuito varia devido a fatores como corrosão, espessura da camada e largura do fio, entre outros, causando distorção do sinal. Portanto, o valor da impedância dos condutores em PCBs de alta velocidade deve ser controlado dentro de uma determinada faixa, o que é chamado de "controle de impedância".

A impedância das trilhas de uma placa de circuito impresso (PCI) é determinada por sua indutância indutiva e capacitiva, resistência e coeficiente de condutividade. Os fatores que afetam a impedância da fiação da PCI incluem principalmente a largura e a espessura do fio de cobre, a constante dielétrica e a espessura do meio, a espessura da ilha de solda, o percurso do fio terra e a fiação ao redor da trilha, etc. A faixa de impedância da PCI é de 25 a 120 ohms.

Na prática, as linhas de transmissão em placas de circuito impresso (PCBs) normalmente consistem em uma trilha de fio, uma ou mais camadas de referência e materiais isolantes. A trilha e a camada constituem a impedância de controle. As PCBs frequentemente adotam estruturas multicamadas, e o controle de impedância também pode ser implementado de diversas maneiras. No entanto, independentemente do método utilizado, o valor da impedância será determinado por sua estrutura física e pelas propriedades eletrônicas do material isolante.

Uma microfita é uma faixa de fio que se refere a uma linha de transmissão com apenas um lado possuindo um plano de referência. A parte superior e as laterais ficam expostas ao ar (ou são revestidas) e estão localizadas na superfície de uma placa de circuito impresso (PCB) com constante de isolamento Er, tendo a camada de alimentação ou de terra como referência. Conforme mostrado na figura a seguir:

Nota: Na fabricação real de PCBs, a fábrica geralmente aplica uma camada de tinta verde na superfície da placa. Portanto, nos cálculos de impedância, o modelo mostrado na figura a seguir é geralmente usado para linhas microstrip de superfície.

Uma linha de transmissão em fita é uma faixa de fio colocada entre dois planos de referência, como mostrado na figura a seguir. As constantes dielétricas do dielétrico, representadas por H1 e H2, podem ser diferentes.

Os dois casos acima são apenas uma demonstração típica de microfita e stripline, geralmente usadas para o aprendizado de hardware inteligente embarcado para IoT e outros sistemas. Existem muitos tipos específicos de microfita e stripline, como a microfita revestida, que estão relacionados à estrutura de empilhamento específica das placas de circuito impresso (PCBs).

A equação usada para calcular a impedância característica requer cálculos matemáticos complexos, geralmente utilizando métodos de resolução de campo, incluindo análise de elementos de contorno. Portanto, com o uso do software especializado em cálculo de impedância SI9000, tudo o que precisamos fazer é controlar os parâmetros da impedância característica:

A constante dielétrica Er da camada de isolamento, a largura da fiação W1 e W2 (trapezoidal), a espessura da fiação T e a espessura da camada de isolamento H.

W – largura de linha projetada

A – perda por corrosão (ver tabela acima)

A razão para a largura inconsistente entre a parte superior e inferior da linha é que, durante o processo de fabricação das placas de circuito impresso (PCBs), a corrosão ocorre de cima para baixo, resultando em um formato trapezoidal da linha corroída.

Existe uma relação correspondente entre a espessura da linha T e a espessura do cobre dessa camada, conforme segue:

* Devido à pequena influência da espessura da máscara de solda na impedância, assume-se que ela tenha um valor constante de 0,5 mil.

Podemos obter o controle de impedância controlando esses parâmetros. Tomando como exemplo a placa de circuito impresso inferior de Anwei, explicaremos as etapas do controle de impedância e o uso do SI9000:

A segunda camada é o plano de terra, a quinta camada é o plano de alimentação e as camadas restantes são as camadas de sinal.

Explicação: O dielétrico entre as camadas intermediárias é o FR-4, com uma constante dielétrica de 4,2; as camadas superior e inferior são camadas nuas que entram em contato direto com o ar, e a constante dielétrica do ar é 1.

Os projetistas de PCBs podem explorar ao máximo a estrutura hierárquica das placas para controlar a impedância. Ao posicionar diferentes camadas de sinal em locais distintos, é possível controlar eficazmente a capacitância e a indutância entre as camadas. De modo geral, a camada interna utiliza materiais de alta impedância, enquanto a camada externa utiliza materiais de baixa impedância, para reduzir o impacto da reflexão e da diafonia.

Linhas de transmissão de sinal diferencial podem proporcionar melhor capacidade anti-interferência e menor risco de diafonia. Essas linhas consistem em um par de fios paralelos com tensões opostas, mas de mesma bitola, o que lhes confere maior integridade de sinal e melhor capacidade anti-interferência. A impedância das linhas de transmissão de sinal diferencial é geralmente controlada pela seleção do espaçamento entre as linhas, da largura e do plano de aterramento.

Parâmetros geométricos como a largura da linha na placa de circuito impresso (PCB), o espaçamento e o layout também podem ser usados ​​para controlar a impedância. Para linhas microstrip comuns, uma largura de linha maior e um espaçamento maior podem reduzir a impedância. Para linhas coaxiais, diâmetros internos menores e raios externos maiores podem aumentar a impedância. A seleção da geometria da fiação requer otimização com base nos requisitos específicos de impedância e na frequência do sinal.

A constante dielétrica dos materiais da placa de circuito impresso (PCB) também afeta a impedância. A escolha de materiais com propriedades dielétricas estáveis ​​faz parte do controle de impedância. Em aplicações de alta frequência e alta velocidade, os materiais comumente usados ​​incluem FR-4 (placa reforçada com fibra de vidro), PTFE (politetrafluoroetileno) e laminados de radiofrequência (RF).

Antes do projeto da placa de circuito impresso (PCB), o uso de ferramentas de simulação e projeto pode ajudar os projetistas a verificar e otimizar a impedância de forma rápida e precisa. Essas ferramentas podem simular o comportamento do circuito, as perdas na transmissão do sinal e as interações eletromagnéticas para determinar os parâmetros ideais do projeto da PCB. Algumas ferramentas de simulação comuns incluem o CST Studio Suite, o HyperLynx e o ADS.

O controle de impedância em placas de circuito impresso (PCBs) desempenha um papel crucial em circuitos digitais e analógicos de alta velocidade. Através de um projeto hierárquico adequado, do uso de linhas de transmissão de sinal diferencial, do controle da geometria da fiação, da seleção de materiais apropriados para a PCB e do uso de ferramentas de simulação e projeto, é possível obter um controle preciso de impedância, melhorando assim o desempenho do circuito e a integridade do sinal.