Dicas e Diretrizes para o Design de PCB de Alta Velocidade

Neste artigo, examinaremos algumas dicas e diretrizes para projetos de placas de circuito impresso de alta velocidade.

Quando se trata de designs de alta velocidade, geralmente estamos preocupados com duas áreas. A primeira delas é a integridade do sinal (SI), e problemas relacionados a diafonia devido ao espaçamento das trilhas, reflexões devido a desajustes de impedância, atenuação do sinal e problemas como ringing. Claro, gostaríamos de minimizar esses problemas ao máximo. Em segundo lugar, estamos preocupados com a interferência eletromagnética (EMI).

Antes de começarmos, tenho que recomendar um vídeo fantástico no canal do YouTube da Altium por Rick Hartley sobre o design correto de PCB e como alcançar um aterramento adequado. Os tópicos abordados em detalhes nesse vídeo são especialmente importantes para designs digitais de alta velocidade e designs analógicos de alta velocidade. Certifique-se de conferir o vídeo aqui.

O que é um design de PCB "de alta velocidade"?

Antes de entrarmos nessas dicas de design e layout de PCB de alta velocidade, vamos dar uma olhada em quando realmente precisamos nos preocupar com tudo isso!

Vamos supor, por exemplo, que temos um sinal de relógio de 100 MHz em nosso projeto e assumimos ingenuamente que esta seja a frequência mais alta aparente em nosso sistema. Acontece que o problema não é realmente que o sinal de relógio tenha uma frequência fundamental de 100 MHz, mas sim que os problemas de nosso projeto vêm dos tempos de subida e descida desse sinal de relógio quase quadrado.

Essas transições abruptas de baixo para alto digital (ou vice-versa) contêm um conteúdo de frequência muito mais alto do que o fundamental. Dado os tempos de subida e descida de um sinal (dependendo de qual deles é mais rápido), podemos calcular a frequência máxima dentro do sinal (ou melhor, a largura de banda) aproximadamente usando a seguinte fórmula:

Por exemplo, para um sinal de relógio de 100 MHz com um tempo de subida de 1 ns, a largura de banda desse sinal é de 500 MHz—uma diferença bastante significativa!

Quando o comprimento de uma trilha de PCB excede 1/12 do comprimento de onda no dielétrico, precisamos começar a considerar nosso projeto de PCB com muito mais detalhes. Este é o ponto em que nossas trilhas começam a parecer linhas de transmissão de comprimento distribuído, e não mais como elementos concentrados. Chamamos esse comprimento de “comprimento crítico”.

Dica #1: Planos de Referência

Sempre queremos ter um plano de terra ou um plano de alimentação relevante adjacente a um plano de sinal, diretamente na camada abaixo (ou acima) de uma camada que carrega um traço. Em certos casos, você pode usar um plano de alimentação relevante em vez de um plano de terra como referência. Relevante aqui significa que a tensão do plano de referência é a mesma tensão da qual o sinal é derivado. Planos de referência são importantes não apenas para manter caminhos de retorno adequados e minimizar a propagação do campo eletromagnético, mas também quando se requer traços de impedância controlada. 

Para sinais AC, qualquer coisa acima de alguns kHz, e o caminho de retorno está na verdade diretamente abaixo do traço do sinal no plano de referência abaixo. Uma regra muito importante é que não deve haver divisões no plano de referência embaixo dos traços.

Dica #2: Empilhamento de Placas

Queremos ter um plano de terra não apenas adjacente a um plano de sinal, mas também adjacente a um plano de alimentação. Também é uma boa ideia ter um dielétrico fino entre os planos, o que por sua vez nos dá um acoplamento apertado e também nos permite usar traços mais finos para designs mais densos.

Traços mais finos adicionalmente nos dão mais espaço para trabalhar, e mais espaço entre os traços. No entanto, tenha em mente que a fabricação de traços finos pode ser mais difícil.

Dica #3: Trilhas com Impedância Controlada

Assim que o comprimento da nossa trilha exceder o comprimento crítico discutido na introdução deste artigo, precisamos controlar a impedância de nossas trilhas. Ou seja, precisamos ajustar a largura da nossa trilha—dependendo do nosso empilhamento de PCB escolhido e da construção—para nos dar uma certa impedância de linha de transmissão. Tipicamente, isso será de 50 Ohms para sinais de extremidade única. O Altium Designer possui um poderoso solucionador de campo 2D que pode calcular as larguras de trilha necessárias dependendo do seu empilhamento e construção em segundos!

Dica #4: Comprimento da Trilha, Espaçamento e a Regra do 3h

Precisamos manter as trilhas de alta velocidade o mais curtas possível—isto ajuda com EMI e SI. Adicionalmente, queremos manter diferentes trilhas de alta velocidade o mais longe possível uma da outra para minimizar diafonia.

Além disso, procure manter as trilhas de alta velocidade longe de componentes como indutores ou seções de potência de um circuito. Uma regra geral típica é a regra de 3h, o que significa que as trilhas devem ser separadas por pelo menos três vezes a altura do dielétrico entre a camada de sinal e a próxima camada de terra ou de referência.

Para designs de alta performance, de alta velocidade, muitas vezes precisamos de ferramentas de simulação para verificar se estamos atendendo às necessidades de integridade de sinal e desempenho EMI.

Altium Designer no Altium 365 oferece uma quantidade sem precedentes de integração à indústria eletrônica, até então relegada ao mundo do desenvolvimento de software, permitindo que os designers trabalhem de casa e alcancem níveis de eficiência sem precedentes. Há também múltiplos tutoriais de design de PCB de alta velocidade repletos de diretrizes adicionais de design e layout de PCB de alta velocidade para você aproveitar.

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