Tudo Sobre o Comprimento da Trilha do seu PCB: Quão Longo é Demais?

De vez em quando, recebo uma pergunta de um leitor que desperta meu interesse e acaba provocando um debate animado, uma pesquisa aprofundada ou uma sessão de perguntas e respostas. Uma pergunta recente que recebi diz respeito ao comprimento de trilhas de PCB, padrões de sinalização e especificações de componentes. Aqui está a pergunta parafraseada:

Qual é o limite de comprimento típico para uma trilha de alta velocidade?

Essa é sempre uma pergunta interessante porque pode ser abordada de vários ângulos. Neste caso, o componente estava operando sobre PCIe em altas velocidades em um laminado padrão (Dk ~4 e Df ~0.02 na extremidade superior da largura de banda). Não deve ser difícil perceber que a pergunta está insinuando aumentar o comprimento da trilha do conector de borda ao receptor, e se o componente pode tolerar a distância aumentada e ainda recuperar um sinal no canal.

Como você investigaria o comprimento máximo de trilha de PCB que pode tolerar neste canal? A realidade é que não existe um único valor máximo de comprimento de trilha de PCB para qualquer padrão de sinalização por várias razões. Em vez disso, temos que olhar para as perdas no canal à medida que o sinal se propaga. Neste componente particular, a resposta foi bastante surpreendente. Continue lendo para saber mais.

A Resposta: Olhe para a Perda Total

O comprimento máximo de trilha de PCB que você pode colocar entre dois componentes depende de múltiplos fatores. Estes incluem:

• Protocolo de sinalização: Os padrões de sinalização especificam um nível mínimo de desempenho para o qual uma interconexão deve ser projetada. Esses requisitos não garantem que o design funcionará, mas eles fornecem uma base para usar como metas de design.
• Especificações do componente: Alguns componentes podem superar os requisitos do seu padrão de sinalização, mas isso ainda não garante que o canal funcionará.
• Laminado de PCB e perdas: Todas as perdas no laminado de PCB reduzirão a amplitude do sinal e produzirão distorção, então essas fontes de perda precisam ser incluídas ao determinar o comprimento da trilha.
• Desvio e distorção de fase: O desvio pode se acumular em alguns casos, dependendo do caminho de roteamento, devido ao efeito da trama de fibra. Isso é mais problemático na parte do sinal que ocupa ~20 GHz e frequências mais altas, o que produz distorção de fase no sinal.

Perdas Acumulam ao Longo de uma Trilha

Com tudo isso em mente, vamos olhar onde as perdas se acumulam ao longo do canal. A imagem abaixo mostra as perdas totais no nosso canal de exemplo em consideração. Algumas dessas perdas foram agrupadas ao longo do comprimento das trilhas. Independentemente de onde as perdas se originam, simplesmente as somamos todas em dB, e podemos converter isso de volta para um valor de atenuação decimal se quisermos.

O ponto aqui é o seguinte: Não me importo realmente de onde as perdas vêm, elas todas se somarão para limitar a potência que chega ao receptor. Como o sinal só pode sofrer tanta perda antes de se tornar irrecuperável, a perda total limitará o comprimento da trilha do PCB a algum valor máximo.

Perda de Inserção Acumulada

A perda de inserção (especificada em dB) ao longo de uma trilha individual é dependente do comprimento e está relacionada ao comprimento e à parte real da constante de propagação:

Desde que você conheça a constante de propagação e o comprimento da interconexão, você sabe a perda total; é apenas a perda por inserção mais a perda de retorno em cada interface ao longo da interconexão. Se desejar, você pode inverter essa relação para perda por inserção e determinar uma perda aceitável e o comprimento máximo do traço desde que (você possa determinar a constante de propagação).

O que acontece se um Comprimento for Especificado?

Vamos voltar à questão original por um momento. Nessa troca, o componente receptor especificou um comprimento máximo de traço de PCB em termos de tempo, em vez de em termos de um orçamento de perda ou comprimento literal do traço. Em outras palavras, eles estão assumindo que você conhece a velocidade de grupo/fase (ou atraso de propagação) para sinais viajando na interconexão. Se você sabe sobre dispersão, então você sabe que terá que fazer correspondência de comprimento de traço de PCB vs. frequência porque a velocidade do sinal varia com a frequência.

Seja uma especificação de comprimento específico ou um tempo especificado, qualquer um dos valores só será aplicável para um laminado de PCB e geometria de trilha específicos. Se você usar um material de laminado de PCB diferente ou uma geometria de trilha diferente, o valor do comprimento não será mais válido porque as perdas experimentadas ao longo dessa extensão de trilha serão diferentes. Neste caso, você precisa converter o comprimento máximo especificado da trilha do PCB em um novo comprimento de trilha usando a constante de propagação correspondente à perda máxima na interconexão. Você pode usar a razão:

onde γ é a constante de propagação para o sinal, e L é um valor de comprimento. Aqui, eu tomei o valor real de γ, pois isso nos indica a perda ao longo da interconexão. Se você olhar para a primeira equação acima, deverá ser fácil perceber que o lado esquerdo é apenas um orçamento de perda. Tomando esses valores juntamente com os valores apropriados da sua constante de propagação, você obtém o novo comprimento máximo da trilha do PCB.

Simulações e Solucionadores de Campo Podem Ajudar

Existem alguns passos que podem ser tomados no nível de design para aumentar o comprimento de trilha permitido para prevenir perda excessiva:

• Utilize materiais de menor perda, como um laminado baseado em PTFE
• Escolha um conector com menores perdas
• Remova vias excessivas e faça o backdrill dos stubs de via
• Tente modificar a geometria do traçado para que tenha menor perda

Se você recebeu uma restrição de tempo ou comprimento para sua interconexão, você só precisa da constante de propagação de suas interconexões antigas e novas para determinar o novo comprimento. Se estiver usando Altium Designer, você pode usar o Gerenciador de Pilhas de Camadas para calcular o atraso de propagação para suas redes controladas por impedância, e pode usar isso para definir um limite de comprimento de traçado nas classes de rede relevantes.

Para cálculos mais avançados envolvendo extração de parâmetros S, usuários do Altium Designer® podem usar a extensão EDB Exporter para importar seu projeto para os solucionadores de campo da Ansys. Esta é uma maneira simples de qualificar um projeto com uma aplicação de solucionador de campo poderosa antes de iniciar uma rodada de prototipagem.

Quando você terminou seu projeto e deseja liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos. Apenas arranhamos a superfície do que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Você pode verificar a página do produto para uma descrição mais aprofundada das funcionalidades ou um dos Webinars Sob Demanda.