Impedância de microfita: teoria do layout do PCB

Por que 50Ω Importa

Então, Why 50Ω? it não é um número mágico que caiu do céu. Antigamente, os engenheiros perceberam que os cabos coaxiais precisavam equilibrar duas necessidades concorrentes: lidar com a potência sem arquear (o que exige baixa impedância) e manter as perdas baixas (que exige maior impedância, em torno de 77Ω para dielétrico de ar). Eles escolheram o 50Ω como o ponto ideal, e ele continuou. Agora está em todo lugar no trabalho de RF — equipamentos de teste, conectores, amplificadores, antenas. Se você estiver gravando vídeo em vez disso, verá que o pessoal digital de alta velocidade do 75Ω. costuma usar pares diferenciais 100Ω .

O problema das incompatibilidades de impedância é o seguinte: em DC e em baixas frequências, ninguém se importa. O sinal se move lentamente o suficiente para que os reflexos se acalmem antes que causem problemas. Mas à medida que as frequências aumentam, esses reflexos começam a morder. Há um limite aproximado em que você precisa começar a se preocupar:

Nessa equação, vₚ é sua velocidade de propagação (normalmente em torno de 0,6c no FR4) e l é o comprimento do traço. Execute os números para um traçado de 10 cm no FR4 padrão e você obterá cerca de 900 MHz. Acima dessa frequência, o controle de impedância deixa de ser opcional.

A maioria dos engenheiros ignora o projeto de impedância adequado nas primeiras placas e se arrepende mais tarde, quando estão depurando problemas misteriosos de integridade de sinal às 2 da manhã, antes de uma demonstração.

As equações de Hammerstad-Jensen

Você encontrará muitas calculadoras on-line usando as equações simplificadas do IPC-2141. Eles são adequados para estimativas aproximadas — com precisão de talvez ± 5%. Mas se você está fabricando algo que importa, você quer as fórmulas de Hammerstad-Jensen de 1980, refinadas com as correções de Wadell. De qualquer forma, eles reduzem a precisão de ± 1%, o que é quase tão bom quanto você pode esperar, dadas as tolerâncias de fabricação.

A matemática se divide em dois casos, dependendo da proporção do traçado. Para traços estreitos em que W/H < 1:

E para traços largos em que W/H ≥ 1:

O termo Wₑ é sua largura efetiva — explica o fato de que traços de cobre têm espessura real, não a abstração de altura zero que fingimos que sejam em modelos simples. E *ε*eff é a constante dielétrica efetiva, o que é complicado porque suas linhas de campo não vivem inteiramente no substrato. Alguns deles estão no ar acima do traço, então a constante dielétrica efetiva termina em algum lugar entre εᵣ do material da placa e 1,0 (ar).

Seleção de materiais

Escolher o material do substrato é uma daquelas decisões que parecem simples até que você realmente veja as opções. Aqui está o que você normalmente escolhe entre:

O FR4 padrão é barato e está disponível em qualquer lugar, e é por isso que todo mundo o usa para material digital e RF de baixa frequência. Mas sua constante dielétrica varia dependendo da frequência — você pode ver 4,5 a 100 MHz caindo para 4,1 por 10 GHz. O padrão de trama de vidro também cria variações locais na constante dielétrica que podem mexer com sua impedância se você não tomar cuidado. Para qualquer coisa acima de 1 GHz em que você realmente se preocupe com o desempenho, especifique um laminado DK controlado. Os materiais Rogers são a escolha usual para trabalhos sérios de RF. Eles custam mais, mas a constante dielétrica é estável e a tangente de perda é muito melhor.

Materiais à base de PTFE são o que você busca quando trabalha no micro-ondas ou em ondas milimétricas e a perda está matando você. Os substratos de alumina aparecem em circuitos híbridos e de RF de alta potência, onde você precisa de desempenho térmico.

Tolerâncias de fabricação

Vamos falar sobre o que sua fábrica de PCBs pode realmente alcançar, porque isso determina se seus cálculos cuidadosos de impedância significam alguma coisa no mundo real.

Um fabricante típico manterá essas tolerâncias em um pedido padrão:

• Largura do traço: ± 0,05 mm (± 2 mil) é normal. Se você pagar mais pela impedância controlada, poderá obter ± 0,025 mm (± 1 mil).
• Espessura dielétrica: ± 10% é padrão. Os acúmulos controlados por impedância reduzem você para ± 5%.
• Espessura do cobre: ± 10% é praticamente o que você encontra em qualquer lugar.

Junte todas essas variações — e elas não se cancelam, elas se somam em quadratura — e você verá uma variação de impedância de aproximadamente ± 10% em um pedido padrão. Pague pelo controle de impedância e você poderá baixar até ± 5%. Precisa de algo melhor do que isso? Você precisará especificá-lo explicitamente, fornecer cupons de teste e esperar que o preço aumente significativamente. Na verdade, a maioria dos aplicativos não precisa de mais de ± 5%, embora as pessoas se preocupem com isso mais do que o necessário.

Regras práticas de design

É aqui que a teoria encontra o layout real da placa que você está fazendo em sua ferramenta CAD à meia-noite.

Target 50Ω for RF work and 100Ω differential for high-speed digital. These are standards for good reason — your connectors, test equipment, and reference designs all assume them. On a typical 1.6mm FR4 board with 1oz copper, you're looking at roughly 2.8mm trace width for 50Ω single-ended. For 100Ω differential pairs, you want something like 0.12mm spacing between 1.8mm traces. These are ballpark numbers — use a proper calculator for your actual stackup. Mantenha seus planos de referência sólidos. Este engana muitas pessoas. Qualquer vazio, ranhura ou divisão no plano do solo sob seu traçado de impedância controlada altera a impedância local de maneiras difíceis de prever e de corrigir depois que a placa volta. Afaste os traços de RF das bordas da placa, onde o plano de referência pode ser cortado ou interrompido. Se você precisar cruzar uma divisão, faça isso a 90° para minimizar a distância sem um caminho de retorno. Costure vias ao redor dos traços de RF. Para linhas de microfita, você deseja vias de aterramento em ambos os lados do traçado, espaçadas cerca de λ/20 uma da outra. Isso suprime os modos de guia de onda de placa paralela que podem irradiar e causar acoplamento entre traços. É uma daquelas coisas que não aparecem em simulações simples, mas são importantes no mundo real, especialmente acima de alguns GHz. Combine suas descontinuidades. Cada lançamento de conector, via transição, e bloco de componentes cria uma descontinuidade de impedância. Uma via, por exemplo, tem capacitância para aterrar e indutância do barril — ela parece indutiva em geral. Você pode compensar reduzindo o tamanho das almofadas (criando uma antialmofada no plano do solo) ou controlando cuidadosamente o tamanho do vazio por meio de transições. O objetivo é fazer com que a impedância da via corresponda à impedância do traçado, mesmo que a geometria pareça estranha. Alguns engenheiros adicionam pequenas seções de traços mais largos ou mais estreitos para eliminar as descontinuidades. Funciona, mas requer simulação ou muita experiência para acertar.

Verificação

Depois de fazer todos os cálculos e colocar o quadro, você não está pronto. Use nossa Calculadora de impedância de microfita para calcular as dimensões do traçado para seu empilhamento específico. Então, e isso é importante, confirme essas dimensões com a calculadora de impedância de empilhamento da sua placa. Fábricas diferentes usam núcleos e pré-impregnados diferentes, e as espessuras dielétricas reais podem variar do que você supôs.

Para execuções de produção, solicite cupons de teste. Esses são traços separados no painel com a mesma geometria de seus traços críticos controlados por impedância. Após a fabricação, você pode medi-las com um TDR (refletômetro no domínio do tempo) para verificar a impedância real antes de se comprometer com a montagem de centenas de placas. Um TDR mostra exatamente onde estão as descontinuidades de impedância e quão ruins elas são. É a diferença entre adivinhar e saber.

A maioria das casas de diretoria que trabalham com impedância controlada fornecerá medidas de TDR de seus cupons como parte do serviço. Se eles não oferecerem isso, encontre uma fábrica diferente para trabalhar com RF.