PCB de Impedância Controlada

O Que é Uma PCB de Impedância Controlada?

A menos que tenha concebido cuidadosamente o traço e o seu ambiente, a impedância é normalmente "não controlada", o que significa que o valor da impedância varia de ponto para ponto ao longo do traço.

A altas frequências, os traços de PCB não se comportam como simples ligações, a impedância controlada ajuda-nos a garantir que os sinais não são degradados à medida que circulam por uma PCB.

Essencialmente, a impedância controlada é a correspondência das propriedades do material do substrato com as dimensões e localizações dos traços, de modo a garantir que a impedância do sinal de um traço se encontra dentro de uma determinada percentagem de um valor específico. As placas de impedância controlada proporcionam um desempenho repetível a altas frequências.

Quando Utilizar a Impedância Controlada?

Quando um sinal tem de ter uma impedância específica para funcionar corretamente, deve ser utilizada a impedância controlada. Em aplicações de alta frequência, a correspondência da impedância dos traços da PCB é importante para manter a integridade dos dados e a clareza do sinal. Se a impedância do traço da placa de circuito impresso que liga dois componentes não corresponder à impedância caraterística dos componentes, pode haver um aumento dos tempos de comutação no dispositivo ou no circuito. Também podem ocorrer erros aleatórios.

O Que Determina a Impedância Controlada?

A impedância caraterística de um traço de PCB é normalmente determinada pela sua reactância indutiva e capacitiva, resistência e condutância. Estes factores são uma função das dimensões físicas do traço, da constante dieléctrica do material do substrato da placa de circuito impresso e da espessura dieléctrica. Normalmente, a impedância do traço da PCB pode variar entre 25 e 125 ohms. O valor da impedância gerado a partir da estrutura da PCB será determinado pelos seguintes factores:

- Largura e espessura do traço de sinal de cobre (superior e inferior)

- Espessura do núcleo ou do material pré-impregnado em ambos os lados do traço de cobre

- Constante dieléctrica do núcleo e do material pré-impregnado

- Distância de outras características de cobre

Como Calcular o Controlo da Impedância?

A determinação de impedâncias numa PCB é importante e requer alguns métodos de medição específicos. Vejamos algumas medidas de controlo de impedância que são credíveis, precisas e fiáveis.

Gráfico de Smith

O gráfico de Smith já existia antes do aparecimento dos computadores ou do software de desenho de PCBs. O gráfico é usado para descrever a relação entre a impedância da fonte e da carga com a ajuda de gráficos. Também se baseia numa série de cálculos matemáticos para fornecer um valor de impedância para um determinado traço.

Simulação por Computador

O software atual utiliza tecnologia complexa para determinar os números da impedância de controlo. A vantagem destes programas é que podem juntar as suas considerações de design numa simulação para ver um produto virtualmente acabado. No entanto, este software é normalmente caro para comprar e utilizar para modelar um projeto de PCB acabado.

Calculadora de Impedância Online

As calculadoras em linha são muito mais eficientes e difundidas do que o software de conceção com funcionalidades de controlo de impedância de PCB. Pode descobrir a impedância controlada para um traço através destas calculadoras. Estas calculadoras não são tão precisas como os simuladores, mas obtém-se sempre um valor aproximado para iniciar o processo. Pequenos ajustes posteriores podem mantê-lo seguro porque a maioria dessas calculadoras usa números padrão dos guias de design para placas de impedância de alta velocidade.

Todos os três métodos listados acima fornecem um bom ponto de partida para os seus cálculos. Independentemente do método adotado, começa com um conjunto seguro de regras, em comparação com a ausência de cálculo de impedância.

Aplicações da Impedância Controlada

A Impedância Controlada deve ser considerada para PCBs utilizadas em aplicações digitais rápidas, tais como

- Telecomunicações

- Computação a 100MHz e superior

- Vídeo analógico de alta qualidade

- Processamento de sinais

- Comunicação RF

Uma introdução à conceção e fabrico de PCBs com controlo de impedância. Quando os traços da placa transportam sinais que contêm frequências elevadas, é necessário ter o cuidado de conceber traços que correspondam à impedância dos dispositivos condutores e receptores.

Quanto mais longo for o traço, ou quanto maiores forem as frequências envolvidas, maior será a necessidade de controlar a impedância do traço. O fabricante da placa de circuito impresso controla a impedância variando as dimensões e o espaçamento do traço ou laminado específico. Por estas razões, o projetista de uma placa de circuito impresso especificará a impedância e a tolerância do traço e deverá trabalhar com o fabricante da placa de circuito impresso para garantir que esta cumpre as especificações dos seus requisitos de placa de circuito impresso com impedância controlada.

A impedância é a soma da resistência e da reactância de um circuito elétrico expressa em Ohms. A resistência é a oposição ao fluxo de corrente presente em todos os materiais. A reactância é a oposição ao fluxo de corrente resultante do efeito da capacitância e indutância inerentes ao condutor que interage com as alterações de tensão e corrente. Nos circuitos de corrente contínua não existe reactância e a resistência dos condutores de cobre é normalmente insignificante. No entanto, em circuitos CA de alta velocidade (aqueles com mudanças bruscas de tensão e/ou corrente), a reactância e, consequentemente, a impedância podem tornar-se muito significativas. Isto pode tornar-se crítico para a funcionalidade de um projeto devido aos efeitos que as alterações na impedância ao longo do percurso dos sinais do transmissor para o recetor terão na eficiência da transferência de energia, bem como na integridade do sinal. Embora a velocidade de um circuito seja muitas vezes expressa como a frequência da forma de onda: a preocupação crítica é a velocidade a que a tensão e/ou a corrente tem de mudar.

Fabrico de PCB de Controlo de Impedância

Para satisfazer a procura crescente de placas de circuito impresso de controlo de impedâncias, os fabricantes de placas de circuito impresso investiram muito dinheiro, mão de obra e recursos materiais em tecnologia de produção para satisfazer os requisitos de produção dos clientes.

Devido à dificuldade de produção de placas de circuito impresso com controlo de impedância, os fabricantes de placas de circuito impresso exigem geralmente que os projectistas ou compradores de placas de circuito impresso forneçam informações e requisitos mais detalhados, como o tipo de material necessário, o peso e a espessura do cobre da placa, o número de camadas, o ficheiro Gerber, para que o fabricante possa preparar a lista de materiais (BOM). A informação sobre a impedância deve ser assinalada no ficheiro Gerber. Se faltarem as informações necessárias, mesmo que seja uma pequena informação crítica, será difícil ou impossível para os engenheiros do fabricante saberem exatamente o que o cliente precisa.

Os PCBs com Controlo de Impedância Também se Dividem em Três Situações Diferentes:

Sem Controlo de Impedância:

Esta é uma situação em que não são necessários quaisquer elementos de design adicionais para garantir a impedância correcta, uma vez que a tolerância à impedância é muito reduzida. Naturalmente, isto resultará numa placa mais rápida e menos dispendiosa porque o fabricante não tem de incluir quaisquer medidas especiais.

Observação da Impedância:

O que é a observação da impedância? Esta é uma situação em que o designer delineia o traço de controlo da impedância e o fornecedor de PCB ajusta a largura do traço e a altura do dielétrico em conformidade. Assim que o fabricante aprova estas especificações, pode começar a fabricar a placa. É possível solicitar um teste de Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) para confirmar a impedância mediante o pagamento de uma taxa.

Controlo da Impedância:

O controlo real da impedância é algo que normalmente só é pedido quando o seu projeto tem tolerâncias de impedância apertadas que podem ser difíceis de atingir à primeira. Quando os limites de capacidade do fabricante se aproximam dos requisitos de dimensão, pode ser difícil garantir a impedância pretendida na primeira tentativa.

No caso do controlo da impedância, o fabricante faz com que a placa de circuito atinja a impedância pretendida tanto quanto possível. De seguida, testam o TDR para ver se foram bem sucedidos. Caso contrário, efectuam os ajustes necessários e tentam novamente até atingirem a impedância pretendida.