Guida alla progettazione PCB per il controllo dell'impedenza durante il routing del PCB

Nel giugno del 1831, Sir James Clark Ross scoprì il Polo Magnetico Nord sulla Penisola di Boothia nel Nord del Canada. Sebbene il termine "scoperta" sembri indicare che il Polo Magnetico Nord sia statico, in realtà i Poli Magnetici Nord e Sud si muovono continuamente. Il campo magnetico terrestre cambia nel tempo e, man mano che questi cambiamenti si verificano, anche le posizioni dei poli si spostano. Data la velocità di movimento di 55 km all'anno, potremmo attribuire un nuovo significato all'espressione "espresso polare".

Quando si lavora al passaggio dei segnali nella vostra PCB, tuttavia, potreste non avere il tempo, i soldi o l'energia per preoccuparvi dell'investimento necessario a viaggiare da un estremo polare all'altro. È importante tenere a mente il routing delle tracce e la loro larghezza; tuttavia, le tracce sul piano di massa del vostro circuito stampato possono rendere difficile tenere traccia dell'impedenza differenziale. Imparare di più su come sfruttare al meglio il software di progettazione PCB per le tracce e il routing dell'impedenza controllata può aiutare.

Esplorando l'Impedenza Complessa

In termini di impedenza, il concetto di "polare" comporta un tipo di esplorazione diverso. L'impedenza complessa è uno strumento importante per lavorare con circuiti AC multi-componente. Invece di usare seni e coseni per rappresentare tensioni e correnti in quei circuiti, possiamo esprimere l'impedenza come un esponenziale complesso o . L'impedenza funziona come il rapporto tensione/corrente per un singolo esponenziale complesso a una frequenza particolare.

Da qui, possiamo esprimere l'impedenza degli elementi del circuito individuali come numeri puri o reali immaginari. Con questo, l'impedenza reattiva puramente immaginaria di un induttore ideale è:

Intanto, l'impedenza reattiva puramente immaginaria di un condensatore ideale appare come:

Passare a numeri puri o immaginari richiede l'uso di un piano complesso con la resistenza lungo l'asse reale. Qui, i valori di reattanza del condensatore e di un induttore diventano numeri immaginari. L'impedenza immaginaria fornisce la componente reattiva dell'impedenza e ci permette di valutare i cambiamenti di fase che si verificano a causa della reattanza.

Con combinazioni in serie di componenti RL e RC, possiamo sommare i valori dei componenti come componenti di un vettore. Come numeri complessi, quei valori hanno le stesse unità della resistenza.

Forma Polare dell'Impedenza Complessa

La forma polare delle espressioni complesse per i circuiti RL e RC appare come un sistema di coordinate bidimensionale che illustra la relazione tra l'ampiezza e la fase della tensione e della corrente. Ogni punto su un piano è a una data distanza da un punto di riferimento e a un dato angolo da una direzione di riferimento. Il punto di riferimento funziona come il polo, mentre il raggio dal polo nella direzione di riferimento si riferisce all'asse polare. La distanza dal polo equivale alla coordinata radiale o raggio, mentre l'angolo rappresenta l'angolo polare.

Nella forma polare, la grandezza dell'impedenza complessa è uguale al rapporto tra l'ampiezza della tensione e l'ampiezza della corrente. La fase dell'impedenza complessa è uguale allo sfasamento della corrente rispetto alla tensione. In forma di equazione, l'impedenza appare come:

La grandezza rappresenta il rapporto tra l'ampiezza della differenza di tensione e l'ampiezza della corrente. L'argomento Ɵ dà la differenza di fase tra la tensione e la corrente, mentre rappresenta l'unità immaginaria. Utilizzare la forma polare per l'impedenza complessa semplifica la moltiplicazione e la divisione delle quantità di impedenza.

Essere in grado di pianificare le tracce per il routing del PCB con impedenza controllata è necessario

Controllo dell'Impedenza del PCB

La nostra brevissima discussione sull'impedenza complessa e sulla forma polare dell'impedenza complessa sottolinea sia la complessità matematica coinvolta nel calcolo dell'impedenza sia i problemi difficili che incontriamo con il controllo dell'impedenza nella progettazione di PCB. Con circuiti ad alta frequenza multistrato composti da numerosi via e diramazioni che agiscono come linee di trasmissione, il problema diventa ancora più arduo a causa del potenziale per la riflessione dell'energia tra la sorgente e il carico. Indipendentemente dal tipo o dalla complessità del circuito, il massimo trasferimento di segnale si verifica solo se tutte le impedenze lungo il percorso del segnale corrispondono.

Utilizzare le migliori pratiche di progettazione nel vostro circuito può fare in modo che le vostre tracce siano instradate correttamente e l'impedenza possa essere abbinata correttamente. Per abbinare l'impedenza di uscita della sorgente, l'impedenza della traccia e l'impedenza di ingresso del carico:

• Abbinare l'impedenza dei componenti
• Misurare le caratteristiche della traccia come lunghezza, larghezza e spessore
• Utilizzare microstrip per raggiungere l'impedenza desiderata

Routing di Impedenza Controllata e Altium Designer^®

Altium Designer ti consente di analizzare l'integrità del segnale del tuo progetto PCB già nella fase di cattura dello schema. Puoi anche definire le reti di alimentazione e utilizzare il menu Strumenti per fornire le impedenze medie dei tracciati e le lunghezze delle piste. Altium Designer offre una soluzione semplice per l'adattamento dell'impedenza dei componenti all'interno del tuo progetto. Puoi anche analizzare la riflessione su reti selezionate e sperimentare con diversi valori di terminazione.

Per determinare l'impedenza di instradamento, puoi utilizzare una delle due formule trovate in Altium Designer. La prima ti consente di determinare l'impedenza caratteristica di un microstrip, mentre la seconda fornisce la formula dell'impedenza caratteristica per una stripline. Entrambe le equazioni mostrano gli spessori dielettrici, la larghezza di instradamento e la costante dielettrica del materiale dielettrico.

Affida il tuo software di progettazione PCB per mappare le tue tracce in modo efficiente ed efficace

Altium Designer semplifica ulteriormente questo compito con la sua opzione Larghezza Impedenza Caratteristica. Con questa opzione, puoi stabilire la regola di progettazione della Larghezza di Instradamento all'interno dell'Editor di Regole e Vincoli PCB e poi inserire le tue impedenze richieste. L'opzione Larghezza Impedenza Caratteristica traduce automaticamente le impedenze richieste in larghezze per ogni strato di segnale. Controllata interattivamente, la funzione di instradamento dell'impedenza di Altium Designer regola automaticamente la larghezza del tracciato per l'impedenza richiesta.

Per saperne di più sul routing dell'impedenza controllata e sull'abbinamento dell'impedenza dei componenti per il tuo design di PCB ad alta velocità, parla con un esperto di Altium Designer.