Gestión de la impedancia mediante el diseño de apilado de PCB con planos de referencia

El control de impedancia, la gestión de impedancia y el dieléctrico controlado son tres términos que se utilizan de manera intercambiable y se refieren a diferentes métodos para establecer la impedancia que ven las señales en un PCB. Herramientas de cálculo de impedancia, como herramientas en línea gratuitas y tus programas de EDA, pueden ayudarte a calcular la impedancia de las pistas y puedes obtener un valor muy cercano al real para la impedancia. Sin embargo, el verdadero desafío se presenta durante la fabricación, y el diseño que creas necesitará ser producido de tal manera que, de hecho, alcance su impedancia objetivo.

Obviamente, ningún proceso de fabricación es perfecto, y cualquier PCB que salga de la línea de producción tendrá algunas variaciones en la impedancia de las pistas, y las variaciones son más evidentes a tasas de datos más altas (es decir, anchos de banda de señal más amplios). Además, si la impedancia no se especifica de acuerdo con un apilado real o datos dieléctricos del material, el fabricante necesitará modificar tus datos de diseño para asegurar que se alcance el objetivo de impedancia.

Control de Impedancia vs. Dieléctrico Controlado

Diseñar placas que requieren una especificación de impedancia específica, o múltiples especificaciones de impedancia, generalmente implica dos enfoques: diseño con dieléctrico controlado o diseño con impedancia controlada.

Algunos diseñadores (incluyéndome) usarán el término impedancia controlada para referirse al acto de calcular la impedancia de traza basada en un apilado de capas especificado. Siempre que se conozcan la constante dieléctrica y el grosor, entonces se puede calcular la impedancia de la traza. Algunos fabricantes de PCB se referirán a esto como diseño de "dieléctrico controlado":

El diseño de dieléctrico controlado requiere que el diseñador conozca la constante dieléctrica de los laminados que soportan las capas donde se requiere una especificación de impedancia. En otras palabras, el diseñador necesita conocer el valor de Dk de un apilado estándar o material disponible comercialmente, así como el grosor de la capa. La colocación de planos de referencia (planos de tierra) no necesita ser especificada en un apilado estándar.

Algunos fabricantes proporcionan calculadoras de impedancia que pueden ayudarte a determinar las dimensiones correctas de traza requeridas para un arreglo dado de traza/plano de tierra y valor de impedancia requerido. Sin embargo, estas calculadoras básicamente permiten un diseño de dieléctrico controlado siempre y cuando ingreses valores conocidos de Dk y grosor para los dieléctricos.

El otro enfoque es la impedancia controlada. En este enfoque, el diseñador simplemente selecciona el ancho/espaciado de la pista que desea y la impedancia que alcanzará. Luego, el fabricante elige una combinación de dieléctricos y espesores de capas para alcanzar ese objetivo, y lo probarán en un cupón de prueba.

Modificar el arreglo del apilado de capas, el espesor del dieléctrico, el espesor del prepreg y el espesor del laminado cambian la impedancia vista por las señales en la placa. Como diseñador, solo necesitas proporcionar una tabla de impedancia o una tabla de líneas de transmisión, así como un dibujo del apilado, en tus notas de fabricación.

Lo que los fabricantes generalmente no harán es comenzar a modificar anchos de traza y espaciamientos para alcanzar objetivos de impedancia. Pueden hacer cosas como aplicar lágrimas y compensación de grabado como parte de su revisión de ingeniería, pero este nivel de modificación se realiza mejor en tus archivos CAD nativos, no en los datos Gerber. En general, no enviarás al fabricante tus archivos de diseño de PCB nativos, por lo que no entrarán en el diseño y proporcionarán ese nivel de modificación a tus trazas por ti. En el evento de que no puedan alcanzar tu objetivo con sus conjuntos de materiales, te devolverán la placa para modificaciones.

¿Cuántos Perfiles de Impedancia Únicos Por Capa?

Si eres un diseñador que toma el enfoque de dieléctrico controlado, podrías sentirte tentado a calcular múltiples perfiles de impedancia para una sola capa. En general, es preferible usar perfiles de impedancia únicos en una sola capa. Por ejemplo, tus perfiles de impedancia 50/100 (Ethernet, HDMI, etc.) podrían combinarse en la misma capa, pero no querrías usar estos en una capa diferente que esté dedicada a USB, DDR, etc., ya que todos estos tienen sus propios perfiles de impedancia únicos.

Se muestra un ejemplo a continuación, donde diferentes perfiles de impedancia únicos se dedican a diferentes capas. Mientras que un perfil podría aplicarse a más de un protocolo, la separación utilizada aquí se hace por perfil para una capa dada. Si necesita que su fabricante mezcle y combine materiales para alcanzar su objetivo, entonces necesitará especificar los valores de ancho/espaciado en el diseño y el objetivo de impedancia que pretende alcanzar.

• Aprenda más sobre cómo especificar los requisitos de control de impedancia

La razón para hacer esto es que permite tanto el enfoque de impedancia controlada como el enfoque de dieléctrico controlado. Al tomar el enfoque de impedancia controlada, esto permite al fabricante ajustar solo los datos dieléctricos para una sola capa si es necesario, y esto solo modificará esos perfiles de impedancia objetivo mientras mantiene todos los demás. Por ejemplo, en las capas superior e inferior, el fabricante puede seleccionar la constante dieléctrica y el grosor necesarios para un objetivo de impedancia específico siempre y cuando especifique el ancho/espaciado de la traza y el valor de impedancia objetivo.

Cómo prefiero abordar el Diseño de Impedancia/Dieléctrico Controlado

Después de lidiar con suficientes diseños, he encontrado dos enfoques que generalmente funcionan muy bien para abordar un diseño controlado por impedancia (o más bien dieléctrico) para un sistema digital de alta velocidad o un sistema RF:

• Seleccione materiales estándar específicos, utilice la información dieléctrica de la hoja de datos y verifique que el fabricante tenga los materiales en stock antes de proceder.
• Obtenga la información/datasheet del material, los valores de impedancia y el apilado asociado de su fabricante; esto generalmente se especifica en un apilado estándar.

Cuando tengo control sobre estas decisiones en el diseño, prefiero seguir la primera ruta porque tiendo a trabajar con un grupo limitado de materiales (Isola, ITEQ y Rogers) que están en stock por mis fabricantes de PCB preferidos. Luego puedo usar un creador de apilado de capas (como Simbeor y el Layer Stack Manager en Altium Designer) para calcular los perfiles de impedancia requeridos en cada capa.

La segunda ruta se elige cuando cualquier material básico funcionará bien, pero el diseño aún necesita una especificación de impedancia. En ese punto, solo necesito conocer un valor de Dk y los grosores de capa que aparecerán en el apilado, y puedo calcular anchuras y espaciamientos para alcanzar la especificación de impedancia.

Siempre que necesite diseñar un apilado de PCB con impedancia controlada, utilice el mejor editor de apilado de capas de la industria con un solucionador de campos electromagnéticos integrado en Altium Designer. Cuando haya terminado su diseño y quiera enviar los archivos a su fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir sus proyectos.

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