Wpływ dyspersji w FR4 na PCB

Dawno temu, gdy pracowałem nad nowymi urządzeniami optoelektronicznymi, zbudowane przez nas prototypy były dość nieuporządkowane. Zamiast wykosztować się na materiały najwyższej jakości, zastosowaliśmy standardowe, tanie materiały i przyrządy pomiarowe, byle tylko nasze urządzenia działały Urządzenia działały i jedyne, co poświęciliśmy, to była estetyka. Jednak gdy nadszedł czas zademonstrowania wykonalności naszych urządzeń w rzeczywistych zastosowaniach, wiedzieliśmy, że musimy pracować z właściwymi materiałami o wysokiej czystości.

Można iść na kompromisy, wybierając między tańszym, popularnym materiałem, a droższym, efektywnym materiałem. Zważywszy na to, że substrat FR4 cieszy się dużą popularnością wśród projektantów i producentów obwodów drukowanych, a coraz więcej urządzeń pracuje z dużą prędkością lub wysoką częstotliwością, warto wiedzieć więcej o wpływie FR4 na integralność sygnału i czas propagacji w obwodzie drukowanym.

FR4 a projektowanie obwodów dla sygnałów o dużej prędkości/wysokiej częstotliwości

Osoby mające doświadczenie w projektowaniu high-speed design wiedzą, że geometria ścieżki, usytuowanie ścieżki oraz substrat płytki wpływają na prędkość sygnału, dopasowanie impedancji i czas propagacji. FR4 nie zawsze stanowi najlepszą opcję w przypadku projektowania urządzenia o dużej prędkości lub wysokiej częstotliwości. Większość projektantów i inżynierów zaleca stosowanie jakiegoś innego materiału jako substratu dla urządzeń o dużej prędkości/wysokiej częstotliwości.

Ze względu na czas propagacji zarówno fale analogowe, jak i impulsy cyfrowe mają krytyczne długości połączeń, przy których zaczynają się zachowywać jak linia długa. Gdy połączenia zaczną się zachowywać jak linie długie, dopasowanie impedancji ma krytyczne znaczenie dla zapobiegania dzwonieniu i rezonansowi między źródłami oraz obciążeniami na płytce. To zachowanie zależy od porównania między czasem narastania sygnału a czasem propagacji.

Sąsiadujące ścieżki na jednej warstwie, a także sąsiadujące warstwy w płytkach wielowarstwowych, tworzą kondensator. Odległość między ścieżkami i stała dielektryczna FR4 określają pojemność równoważną. Dopasowanie impedancji ma krytyczne znaczenie dla warunków działania linii długiej i trzeba uwzględnić tę pojemność pasożytniczą, projektując płytkę, zwłaszcza w przypadku sygnałów o dużej prędkości/wysokiej częstotliwości.

_{Płytka obwodu drukowanego - jak uniknąć dyspersji w FR4}

To wszystko wynika z obecności dielektryka w pobliżu przewodzących ścieżek. Stała dielektryczna przewodnika determinuje prędkość sygnału przepływającego przez przewodnik. Gdy wyobrazimy sobie ścieżkę zawieszoną w próżni, prędkość sygnału na tej ścieżce zależy wyłącznie od stałej dielektrycznej przewodnika. Jeśli w pobliżu znajdują się dielektryki (jak np. substrat FR4), stała dielektryczna przewodnika przyjmuje inną wartość.

Ta zmodyfikowana stała dielektryczna to tzw. skuteczna stała dielektryczna. Normalnie przy jej obliczaniu ignoruje się skutki dyspersji i absorpcji w substracie. Nie ma to dużego znaczenia przy niskich częstotliwościach i małych prędkościach przełączania, ale te same obliczenia dają nieprawidłowe wyniki czasu propagacji dla wysokich częstotliwości i dużych prędkości przełączania. Grubość płytki również wpływa na jej skuteczną stałą dielektryczną, co z kolei powoduje zmianę pojemności pasożytniczej i wymaga dopasowania impedancji.

Płytki FR4 można by stosować w urządzeniach o dużych prędkościach, gdyby warstwy były pokryte laminatami high-speed. Te laminaty zapewniają mniejsze straty niż FR4 i w ogromnym stopniu determinują skuteczną stałą dielektryczną w ścieżkach. W zależności od kosztów połączenie FR4 i laminatu typu high-speed może się okazać lepszym rozwiązaniem niż zastosowanie materiału alternatywnego.

Absorpcja i dyspersja

Czas propagacji w ścieżce PCB zależy od stałej dielektrycznej substratu, rozmiarów ścieżki oraz tego, czy jest to linia paskowa, czy mikropaskowa. Przy bardzo niskich częstotliwościach i małych prędkościach przełączania czas propagacji jest względnie niezależny od zmian częstotliwości/prędkości przełączania. Jednak przy wyższych prędkościach i częstotliwościach ta zależność się nasila.

Wynika to ze zjawiska dyspersji w substracie FR4. Projektując płytki drukowane dla zastosowań obejmujących RF, radary oraz przesyłanie gigabitów danych, trzeba wziąć pod uwagę dyspersję i jej wpływ na czas propagacji. Ponieważ tego rodzaju zastosowania wymagają zwykle podłoża o niskim poziomie zakłóceń, w celu zablokowania przesłuchu stosuje się ścieżki różnicowe. Czas propagacji wpływa wtedy na tolerancje dostrajania długości między równoległymi ścieżkami.

Ścieżki na FR4 zwykle wykazują większe straty niż w przypadku płytek drukowanych z innych materiałów, które są przystosowane specjalnie do zastosowań RF powyżej 1 GHz. FR4 charakteryzuje się negatywną dyspersją i rosnącym tangensem stratności przy coraz wyższych częstotliwościach. Gdy porówna się go do innych materiałów przeznaczonych do wysokich częstotliwości, dyspersja w rzeczywistości zwiększa prędkość sygnału przy wysokich częstotliwościach, przez co czas propagacji ulega skróceniu.

Absorpcja elektromagnetyczna w FR4 gwałtownie wzrasta do ok. 100 kHz, a potem narasta równomiernie do ok. 100 GHz. Wskutek tego ścieżki na FR4 wykazują większe tłumienie przy wysokich częstotliwościach dla takiej samej grubości płytki. Jest to główny powód stosowania laminatów high-speed na płytkach FR4.

Żeby można było obliczyć prawidłową wartość czasu propagacji, potrzebny jest właściwy model dla parametrów materiału, z jakiego jest wykonany substrat. Liniowe modele bazowe dla dyspersji i absorpcji są w oczywisty sposób nieprawidłowe przy częstotliwości lub prędkości przełączania powyżej 4 GHz. Szerokopasmowy model Debye’a jest bez wątpienia najlepszym modelem, jaki można zastosować do opisania tych krytycznych parametrów materiałowych w FR4 w szerokim zakresie częstotliwości.

Gdy spojrzymy na spektrum częstotliwości w impulsie cyfrowym, to największa intensywność sygnałów cyfrowych jest skoncentrowana między częstotliwością przełączania a częstotliwością narożną. Częstotliwość narożna jest równa mniej więcej jednej trzeciej odwrotności czasu narastania sygnału.

Ponieważ impuls cyfrowy jest tak naprawdę superpozycją fal analogowych, dyspersja wpływa na te poszczególne częstotliwości analogowe nieco inaczej. Dobrą aproksymację da uwzględnienie dyspersji tylko przy częstotliwości przełączania. Takie przybliżenie jest dopuszczalne przy niskiej do średniej dyspersji.

Zważywszy na kompromisy podczas projektowania, jakie trzeba uwzględnić przy doborze materiału substratu, potrzebne jest oprogramowanie do projektowania PCB, które daje swobodę w kwestii wyboru właściwego substratu. Narzędzia CAD, intuicyjne narzędzia do stosu oraz funkcje symulacji w Altium Designer 18.1 pozwolą bez trudu zaprojektować następne urządzenie o dużej prędkości lub wysokiej częstotliwości na substracie FR4. Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.