Como o Efeito da Trama de Fibra Influencia a Integridade do Sinal de Alta Frequência

Com muitos dispositivos operando em altas taxas de dados e incorporando funções de RF, os designs em alguns substratos rígidos podem precisar acomodar um fenômeno inconveniente: o efeito da trama de fibra. Existem, na verdade, múltiplos problemas de integridade de sinal que podem surgir devido à trama de fibra no substrato da PCB.

Em taxas de borda suficientemente baixas (> 1 ns) e larguras de banda ou frequências de sinal (

Como Pensar Sobre o Efeito da Trama de Fibra

A referência mais comum ao efeito da trama de fibra é o desvio criado entre trilhas que são roteadas em um substrato de PCB. Esse desvio de tempo pode surgir entre dois lados de um par diferencial, o que pode desalinhar os dois sinais, ou entre múltiplas trilhas de extremidade única em um barramento paralelo (como DDR). Isso ocorre devido à estrutura alternada de vidro-resina dos materiais laminados de PCB; porque o vidro e a resina têm diferentes valores de Dk, os sinais nessas regiões terão diferentes velocidades de propagação.

Até os laminados baseados em resina mais avançados são materiais inomogêneos e anisotrópicos, o que significa que suas propriedades dielétricas variam no espaço e em diferentes direções. Todos os materiais laminados de PCB baseados em resina/vidro são produzidos com um tear, que é usado para criar uma trama de vidro como reforço em um substrato de PCB. Materiais mais recentes que são especializados para designs de alta velocidade/alta frequência, como os laminados recém-lançados pela Rogers Corp. e Isola, estão sendo otimizados para ter baixas perdas e valores desejáveis de CTE, Tg e condutividade térmica. Para os laminados da Isola, eles estão tipicamente disponíveis em uma variedade de estilos de trama de vidro, incluindo vidro espalhado.

Estilos de tecido de fibra. Tecidos soltos (à esquerda) criam maior distorção e variações de impedância em uma placa em comparação com um tecido apertado (à direita). Crédito da imagem: Chen et al. (MDPI).

Como designer, existem algumas opções que podem ajudar a reduzir os efeitos do tecido de fibra, embora o problema não possa ser totalmente eliminado se o roteamento for feito em um estilo de tecido de vidro aberto. Você certamente pode especificar uma orientação desejada para um traço em relação ao arranjo do tecido de fibra, mas os tamanhos dos traços e os métodos típicos de roteamento em um substrato de PCB tornam difícil prever exatamente onde seus traços serão executados ao longo da placa. Para essas cavidades na placa, temos duas perspectivas para examinar a distorção criada pelos tecidos de fibra:

• Em produtos fabricados em massa, onde tecidos mais soltos podem ser desejáveis por razões de custo
• Em placas avançadas ou placas de RF, onde um material mais caro pode ser necessário de qualquer forma

Como o Estilo do Tecido de Fibra Afeta a Distorção

Porque as cavidades no tecido de fibra são formadas por lacunas entre feixes de vidro, traços roteados sobre essas cavidades verão uma constante dielétrica diferente em comparação com os feixes de vidro. A diferença nas constantes dielétricas pode alcançar um fator de 2, dependendo dos materiais usados no substrato.

É possível estimar o desvio que se acumula entre dois traços de igual comprimento se as constantes dielétricas dos componentes de vidro e resina forem conhecidas. Isso nem sempre é fornecido nas fichas técnicas, mas esses dados poderiam ser usados para determinar um valor de desvio de pior caso entre dois traços. Usando a diferença nos atrasos de propagação em cada material, descobriríamos que o desvio de tempo de pior caso é:

Aproximação do desvio de pior caso

Também veja esta publicação recente para alguns dados experimentais coletados com diferentes estilos de tecido de fibra. Um valor típico de desvio de tempo para um tecido aberto pode ser tão grande quanto 4 ps/polegada ou mais em tecidos de vidro convencionais (veja a citação acima para alguns dados). Em placas grandes, essa contribuição para o jitter total poderia ser suficiente para dessincronizar dois sinais rápidos.

Na realidade, o desvio devido ao tecido de fibra é imprevisível, simplesmente porque você não sabe onde seu traço acabará uma vez que a placa seja fabricada. Existem algumas opções simples para ajudar a reduzi-lo (veja abaixo), mas o primeiro passo é determinar se o desvio realmente importa no seu design específico. Porque o desvio é um problema de incompatibilidade de tempo

O Desvio Importará no Seu Sistema?

A primeira coisa que você deve fazer é determinar se o desvio causado pela trama de fibra cria ou não problemas perceptíveis no seu sistema específico. Tome como exemplo dois traços em um par diferencial. Os sinais em cada traço devem chegar a um receptor dentro de uma janela de tempo específica. Se a discrepância permitida entre os sinais (a janela de tempo) for muito maior do que o desvio esperado em uma rota dada, então o desvio poderia efetivamente ser ignorado.

A mesma análise pode ser aplicada a barramentos paralelos com correspondência de comprimento. Esta é uma razão pela qual você pode querer igualar o atraso dos seus pares diferenciais de forma muito precisa. Isso deixa uma grande margem para o desvio criado pela trama de fibra, jitter aleatório ou quaisquer outras fontes de jitter que possam criar desvio. No caso em que o desvio da trama de fibra for comparável à discrepância de tempo permitida, então uma trama aberta não deve ser usada.

À medida que os fluxos de dados se tornam mais rápidos e os tempos de subida se tornam menores, a janela de tempo acima se fecha, e isso coloca mais ênfase na redução do jitter total que pode existir dentro da janela de tempo. Esta é uma razão pela qual nos concentramos no jitter criado pelo ruído da fonte de alimentação, salto de terra e diafonia em interfaces rápidas, pois eles também contribuem para o jitter total.

Roteamento Angular ou Rotação de Painel

Como foi mostrado em uma publicação recente no Signal Integrity Journal, rotear em um ângulo ligeiro em relação ao padrão de tecelagem pode reduzir o desvio de tempo (desvio padrão) de ~7 ps/pol. para menos de 1 ps/pol. Note que isso é apenas para o desvio devido ao efeito de tecelagem de fibra; outras fontes de desvio como jitter aleatório e desajuste de atraso em barramentos paralelos ou pares diferenciais ainda precisam ser consideradas. No entanto, os ângulos envolvidos eram de apenas ~0,04 rad, equivalente a ~2,3 graus. Em outras palavras, o desvio padrão pode ser reduzido em aproximadamente 3 ps/grau, até uma redução máxima de ~7 ps.

Imagem de redução de desvio crédito: Bogatin et al. (Signal Integrity Journal).

O que isso mostra não é que o desvio de fase é eliminado ao se rotear em um ângulo, mas sim que o desvio padrão no tempo se torna menor. Essa é uma das razões pelas quais uma fábrica de placas pode rotacionar a arte em um painel (talvez 10 graus) para combater o desvio de fase induzido pela trama de fibra. Em vez de rotear manualmente ou fazer zigue-zague com as trilhas na PCB, rotacionar a arte no painel permite que o designer trabalhe normalmente em seu software de design de PCB. A desvantagem é que a arte em um painel ocupará espaço extra, então isso aumenta os custos de fabricação por placa.

Vidro Espalhado

O vidro espalhado se achatará quando colocado na pilha da PCB, o que garantirá que os feixes de fibra preencham o espaço no laminado da PCB que é ocupado pela resina. Ao preencher a região da resina com vidro, o material parece mais homogêneo nas frequências práticas usadas na eletrônica de hoje. Isso minimiza o desvio entre cada trilha em um par diferencial ou entre trilhas de extremidade única em barramentos paralelos.

Definir Espaçamento do Par Diferencial = Passo do Vidro

Se o passo da trama de vidro for conhecido, então este pode ser usado como o espaçamento entre pares diferenciais. Isso garantirá que as trilhas em um par sempre ocupem regiões de trama quase idênticas ao longo de uma rota reta, reduzindo assim o desvio intra-par. Uma regra de design semelhante poderia ser usada em barramentos de sinal único paralelos e barramentos diferenciais paralelos.

Laminados Não Reforçados para Placas de RF

Outra opção para placas de RF avançadas é usar um laminado à base de PTFE não reforçado, que não terá uma trama de vidro. A desvantagem desses laminados, além do custo, é o fato de que podem ser difíceis de trabalhar na fabricação. Como não possuem reforço estrutural, às vezes são chamados de "macarrão molhado", pois facilmente se dobram. Como resultado, eles podem ter um maior potencial para desalinhamento entre camadas. Para placas de RF usadas com arranjos em fase, a eliminação do desvio em interconexões longas é muito útil, especialmente se o controlador do sistema não tiver um mecanismo para compensação de desvio por meio de um procedimento de calibração na inicialização.

Carga Periódica em Frequências de GHz

As cavidades em tecidos de fibra soltos são essencialmente ressonadores parcialmente abertos, e ressonâncias excitadas na estrutura do tecido de fibra em um material de PCB não são definidas ou observadas em simulação ou análise. Lembre-se de que o campo eletromagnético não está confinado dentro de um traço, ele existe ao redor do traço e é confinado no meio circundante. Isso significa que um sinal de alta frequência em movimento, ou um sinal digital com grande largura de banda, pode excitar uma ou mais ressonâncias nessas cavidades. Essas ressonâncias podem ser aproximadas como ressonâncias em uma caixa retangular e esperaríamos o seguinte conjunto de frequências:

A frequência ressonante de ordem mais baixa do tecido de fibra é tipicamente ~50 GHz para tecidos soltos. Essas ressonâncias podem então excitar ressonâncias de cavidade sub-harmônicas através de acoplamento ressonante. Em outras palavras, os bolsões de tecido de fibra, estruturas condutivas próximas e os parasitas criados por cada um atuam como uma fonte de EMI irradiada. Esse problema específico foi recentemente discutido no Signal Integrity Journal.

A forte ressonância nessas cavidades também pode acoplar indutivamente ou capacitivamente em circuitos próximos. Esse acoplamento é mais problemático em cadeias de sinal RF envolvendo amplificadores de potência, drivers de FET de alta potência e circuitos similares que produzem campos RF fortes. Esse efeito aparece como uma queda no perfil de perda de inserção em ressonâncias sucessivas da trama de fibra. Você pode medir esse efeito extraindo os parâmetros S de um cupom de teste com um analisador de rede vetorial.

Analisador de espectro

Em resumo, se você quer prevenir problemas com ressonâncias e quedas na perda de inserção, vise o estilo de trama de vidro mais apertado que atenda aos seus requisitos de perda, CTE, Tg e condutividade térmica. Um estilo de trama mais apertado geralmente terá ressonâncias de frequência mais alta, embora haverá compensações definitivas que precisam ser equilibradas. Contabilizar com precisão o desvio e garantir a impedância controlada requer determinar a constante dielétrica média correta a ser usada em suas cálculos de impedância. No caso de emissões de cavidade se tornarem problemáticas, você pode considerar usar um revestimento conformal como material de blindagem.

O gerenciador de pilhas de camadas no Altium Designer^® permite que você defina a constante dielétrica média que seus sinais encontrarão enquanto percorrem uma trilha de sinal. Isso o torna uma ferramenta ideal para compensar o desvio causado pelo efeito da trama de fibra em sua placa. As ferramentas de simulação pós-layout também são úteis para examinar o acoplamento entre trilhas que transportam sinais de alta frequência e para o roteamento com impedância controlada. Você terá acesso a uma extensa biblioteca de materiais padronizados e estilos de trama que você pode usar em sua empilhamento.

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