Guía de diseño de PCB para el control de la impedancia durante el enrutamiento de PCB

En junio de 1831, Sir James Clark Ross descubrió el Polo Magnético Norte en la Península de Boothia, en el norte de Canadá. Aunque el término “descubrimiento” parece indicar que el Polo Magnético Norte es estático, los Polos Magnéticos Norte y Sur, de hecho, se mueven continuamente. El campo magnético de la Tierra cambia con el tiempo y a medida que ocurren esos cambios, las posiciones de los polos también se desplazan. Dado el ritmo de movimiento de 55 km por año, podríamos tener otro significado para “expreso polar”.

Cuando trabajas en el recorrido de señales en tu PCB, sin embargo, es posible que no tengas el tiempo, dinero o energía para preocuparte por la inversión de viajar de un extremo polar al otro. Es importante tener en cuenta el enrutamiento de trazas y el ancho de las trazas; sin embargo, las trazas en el plano de tierra de tu placa de circuito pueden dificultar el seguimiento de la impedancia diferencial. Aprender más sobre cómo aprovechar al máximo el software de diseño de PCB para trazas y enrutamiento de impedancia controlada puede ayudar.

Explorando la Impedancia Compleja

En términos de impedancia, el concepto de "polar" implica un tipo diferente de exploración. La impedancia compleja es una herramienta importante para trabajar con circuitos de CA de múltiples componentes. En lugar de usar senos y cosenos para representar voltajes y corrientes en esos circuitos, podemos expresar la impedancia como un exponencial complejo o . La impedancia funciona como la relación voltaje/corriente para un exponencial complejo único a una frecuencia particular.

Desde allí, podemos expresar la impedancia de elementos individuales del circuito como números imaginarios puros o reales. Con esto, la impedancia reactiva puramente imaginaria de un inductor ideal es:

Mientras tanto, la impedancia reactiva puramente imaginaria de un capacitor ideal aparece como:

Moverse a números puros o imaginarios requiere usar un plano complejo con resistencia a lo largo del eje real. Aquí, los valores de reactancia del capacitor y de un inductor se convierten en números imaginarios. La impedancia imaginaria proporciona el componente reactivo de la impedancia y nos permite evaluar cambios en la fase que ocurren debido a la reactancia.

Con combinaciones en serie de componentes RL y RC, podemos sumar los valores de los componentes como componentes de un vector. Como números complejos, esos valores tienen las mismas unidades que la resistencia.

Forma Polar de la Impedancia Compleja

La forma polar de las expresiones complejas para circuitos RL y RC se presenta como un sistema de coordenadas bidimensional que ilustra la relación entre la amplitud y la fase del voltaje y la corriente. Cada punto en un plano es una distancia dada desde un punto de referencia y un ángulo dado desde una dirección de referencia. El punto de referencia funciona como el polo, mientras que el rayo desde el polo en la dirección de referencia se refiere al eje polar. La distancia desde el polo equivale a la coordenada radial o radio, mientras que el ángulo representa el ángulo polar.

En la forma polar, la magnitud de la impedancia compleja es igual a la relación de la amplitud del voltaje a la amplitud de la corriente. La fase de la impedancia compleja es igual al desfase de la corriente adelante del voltaje. En forma de ecuación, la impedancia se presenta como:

La magnitud representa la relación de la amplitud de la diferencia de voltaje a la amplitud de la corriente. El argumento Ɵ da la diferencia de fase entre el voltaje y la corriente, mientras representa la unidad imaginaria. Usar la forma polar para la impedancia compleja simplifica la multiplicación y división de cantidades de impedancia.

Ser capaz de planificar tus trazas para el enrutamiento de PCB con impedancia controlada es necesario

Control de Impedancia de PCB

Nuestra breve discusión sobre la impedancia compleja y la forma polar de la impedancia compleja subraya tanto la complejidad matemática involucrada en calcular la impedancia como los problemas difíciles que encontramos con el control de impedancia en el diseño de PCBs. Con circuitos de múltiples capas de alta frecuencia compuestos por numerosos vías y ramificaciones actuando como líneas de transmisión, el problema se vuelve aún más difícil debido al potencial de reflexión de energía entre la fuente y la carga. No importa el tipo o la complejidad del circuito, la transferencia máxima de señal solo ocurre si todas las impedancias a lo largo del camino de la señal coinciden.

Usar las mejores prácticas de diseño en su placa de circuito puede hacer que sus trazas estén encaminadas correctamente y que la impedancia pueda coincidir adecuadamente. Para hacer coincidir la impedancia de salida de la fuente, la impedancia de la traza y la impedancia de entrada de la carga:

• Hacer coincidir la impedancia de los componentes
• Medir características de la traza como longitud, ancho y grosor
• Usar microstripes para lograr la impedancia deseada

Enrutamiento de Impedancia Controlada y Altium Designer^®

Altium Designer te permite analizar la integridad de señal de tu diseño de PCB en la etapa de captura esquemática. También puedes definir las redes de suministro y usar el menú de Herramientas para proporcionar impedancias promedio de pistas y longitudes de rutas. Altium Designer ofrece una solución sencilla para la coincidencia de impedancias de los componentes dentro de tu diseño. También puedes analizar la reflexión en redes seleccionadas y experimentar con diferentes valores de terminadores.

Para determinar la impedancia de enrutamiento, puedes usar una de dos fórmulas encontradas en Altium Designer. La primera te permite determinar la impedancia característica de un microstrip, mientras que la segunda proporciona la fórmula de impedancia característica para una stripline. Ambas ecuaciones muestran los grosores dieléctricos, el ancho de enrutamiento y la constante dieléctrica del material dieléctrico.

Confía en tu software de diseño de PCB para ayudar a mapear tus trazas de manera eficiente y efectiva

Altium Designer simplifica aún más esta tarea con su opción de Ancho de Impedancia Característica. Con esta opción, puedes establecer la regla de Diseño de Ancho de Enrutamiento dentro del Editor de Reglas y Restricciones de PCB y luego ingresar tus impedancias requeridas. La opción de Ancho de Impedancia Característica traduce automáticamente las impedancias requeridas en anchos para cada capa de señal. Controlada de manera interactiva, la característica de enrutamiento de impedancia de Altium Designer ajusta automáticamente el ancho de la pista para la impedancia requerida.

Para aprender más sobre el enrutamiento de impedancia controlada y la coincidencia de impedancia de componentes para su diseño de PCB de alta velocidad, hable con un experto en Altium Designer.