Gerenciamento de Impedância Através do Design de Empilhamento de PCB com Planos de Referência

Controle de impedância, gerenciamento de impedância e dielétrico controlado são três termos que são intercambiáveis de forma livre e referem-se a diferentes métodos para definir a impedância vista pelos sinais em uma PCB. Ferramentas de cálculo de impedância, como ferramentas online gratuitas e seus programas EDA, podem ajudá-lo a calcular a impedância de trilhas e você pode obter um valor muito próximo do valor exato para a impedância. No entanto, a prova real acontece durante a fabricação, e o design que você cria precisará ser produzido de tal forma que, de fato, atinja sua impedância alvo.

Obviamente, nenhum processo de fabricação é perfeito, e qualquer PCB que saia da linha de produção terá algumas variações na impedância das trilhas, e as variações são mais aparentes em taxas de dados mais altas (ou seja, larguras de banda de sinal mais amplas). Além disso, se a impedância não for especificada de acordo com um empilhamento real ou dados dielétricos do material, o fabricante precisará modificar seus dados de design para garantir que o alvo de impedância seja atingido.

Controle de Impedância vs. Dielétrico Controlado

Projetar placas que requerem uma especificação de impedância específica, ou múltiplas especificações de impedância, geralmente envolve duas abordagens: design de dielétrico controlado ou design de impedância controlada.

Alguns designers (incluindo eu mesmo) usam o termo impedância controlada para se referir ao ato de calcular a impedância de trilhas com base em uma pilha de camadas especificada. Contanto que a constante dielétrica e a espessura sejam conhecidas, então a impedância da trilha pode ser calculada. Alguns fabricantes de PCB se referem a isso como design de "dielétrico controlado":

O design de dielétrico controlado exige que o designer conheça a constante dielétrica dos laminados que suportam as camadas onde uma especificação de impedância é necessária. Em outras palavras, o designer precisa conhecer o valor de Dk de uma pilha de camadas padrão ou material disponível no mercado, bem como a espessura da camada. A colocação de planos de referência (planos de terra) não precisa ser dada em uma pilha de camadas padrão.

Alguns fabricantes fornecem calculadoras de impedância que podem ajudá-lo a determinar as dimensões corretas das trilhas necessárias para um determinado arranjo de trilha/plano de terra e valor de impedância requerido. No entanto, essas calculadoras basicamente possibilitam um design de dielétrico controlado, contanto que você insira valores conhecidos de Dk e espessura para os dielétricos.

A outra abordagem é a impedância controlada. Nesta abordagem, o projetista apenas seleciona a largura/espacamento da trilha que deseja e a impedância que será atingida. O fabricante então seleciona uma combinação de dielétricos e espessuras de camadas para atingir esse alvo, e eles testarão isso em um cupom de teste.

Modificar o arranjo do empilhamento de camadas, a espessura do dielétrico, a espessura do prepreg e a espessura do laminado alteram todos a impedância vista pelos sinais na placa. Como projetista, você só precisa fornecer uma tabela de impedância ou uma tabela de linha de transmissão, bem como um desenho de empilhamento, em suas notas de fabricação.

O que os fabricantes geralmente não farão é começar a modificar larguras de trilhas e espaçamentos para atingir objetivos de impedância. Eles podem fazer coisas como aplicar gotas de lágrima e compensação de gravação como parte de sua revisão de engenharia, mas esse nível de modificação é melhor feito nos seus arquivos CAD nativos, não nos dados Gerber. Em geral, você não estará enviando ao fabricante seus arquivos de design de PCB nativos, então eles não entrarão no design e fornecerão esse nível de modificação nas suas trilhas para você. No caso de eles não conseguirem atingir seu objetivo com seus conjuntos de materiais, eles enviarão a placa de volta para você para modificações.

Quantos Perfis de Impedância Únicos Por Camada?

Se você é um designer e adota a abordagem de dielétrico controlado, pode ser tentador calcular múltiplos perfis de impedância para uma única camada. Em geral, é preferível usar apenas perfis de impedância únicos em uma única camada. Por exemplo, seus perfis de impedância 50/100 (Ethernet, HDMI, etc.) poderiam ser combinados na mesma camada, mas você não iria querer usá-los em uma camada diferente que é dedicada a USB, DDR, etc., pois todos eles têm seus próprios perfis de impedância únicos.

Um exemplo é mostrado abaixo, onde diferentes perfis de impedância únicos são dedicados a diferentes camadas. Enquanto um perfil pode se aplicar a mais de um protocolo, a separação usada aqui é feita por perfil para uma determinada camada. Se você precisar que seu fabricante misture e combine materiais para atingir seu alvo, então você precisará especificar os valores de largura/espaçamento no design e o alvo de impedância que pretende atingir.

• Saiba mais sobre a especificação de requisitos de controle de impedância

A razão para fazer isso é que permite tanto a abordagem de impedância controlada quanto a abordagem de dielétrico controlado. Ao adotar a abordagem de impedância controlada, isso permite ao fabricante ajustar apenas os dados dielétricos para uma única camada, se necessário, e isso modificará apenas aqueles perfis de impedância alvo, mantendo todos os outros. Por exemplo, nas camadas superior e inferior, o fabricante pode selecionar a constante dielétrica e a espessura necessárias para um alvo de impedância específico, desde que você especifique a largura/espacamento do traço e o valor alvo de impedância.

Como Prefiro Abordar o Design de Impedância/Dielétrico Controlado

Depois de lidar com designs suficientes, encontrei duas abordagens que geralmente funcionam muito bem para abordar um design controlado por impedância (ou melhor, dielétrico) para um sistema digital de alta velocidade ou um sistema RF:

• Selecione materiais prontos específicos, use as informações dielétricas da ficha técnica e verifique se o fabricante tem os materiais em estoque antes de prosseguir.
• Obtenha informações/dados do material, valores de impedância e o empilhamento associado do seu fabricante; isso geralmente é especificado em um empilhamento padrão.

Quando tenho controle sobre essas decisões no design, prefiro seguir o 1º método porque tendo a trabalhar com um grupo limitado de materiais (Isola, ITEQ e Rogers) que são estocados pelos meus fabricantes de PCB preferidos. Posso então usar um criador de empilhamento de camadas (como Simbeor e o Layer Stack Manager no Altium Designer) para calcular os perfis de impedância necessários em cada camada.

O 2º método é escolhido quando qualquer material básico serve, mas o design ainda precisa de uma especificação de impedância. Nesse ponto, eu só preciso saber um valor de Dk e as espessuras das camadas que aparecerão no empilhamento, e posso calcular larguras e espaçamentos para atingir a especificação de impedância.

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