Extração de Parasitas com um Solucionador Eletromagnético em Roteamento de PCB

A extração de parasitas: a comunidade de design de circuitos integrados deve lidar com essa tarefa diariamente, especialmente quando os recursos de portão são reduzidos abaixo de ~350 nm e os chips operam em altas velocidades de comutação. A comunidade de PCB também precisa lidar com essa ideia para melhor projetar redes de entrega de energia, interconexões com impedância precisa e quantificar adequadamente o acoplamento e os mecanismos de diafonia. Existem muitas aplicações de terceiros que podem ser usadas para extrair parasitas do seu layout para geometrias específicas, mas os resultados dessas ferramentas são impraticáveis para uso na maioria dos softwares de design.

Por que se preocupar com parasitas em um PCB e como podemos lidar com eles no processo de design? Parasitas intencionais e não intencionais são inteiramente responsáveis pelo comportamento de sinal e energia em um PCB. Quando você está calculando a impedância, você está realmente calculando dois parasitas importantes e está usando esses valores como parte do motor de roteamento. Você também pode usar esses valores para coisas como previsão de diafonia, simulações de potência envolvendo transientes e ringing, ou até mesmo acoplamento de pulsos ESD em trilhas expostas.

Extração de Parasitas para Suas Trilhas

O empilhamento de PCB que você cria determinará parcialmente os parasitas que afetam seus condutores. Na verdade, você não precisa de um solucionador de campos complexo para determinar os parasitas que surgem no layout do PCB ao redor de trilhas específicas. As trilhas que você coloca no layout do PCB terão alguma capacitância e indutância parasitas naturais que determinam sua impedância. No entanto, se você aproximar um pouco de cobre de uma trilha, haverá alguma capacitância e indutância mútuas adicionais que modificarão a impedância da trilha. É realmente possível determinar esses valores parasitas usando ferramentas de cálculo de impedância, bem como algumas fórmulas analíticas na literatura ou utilitários de solução de campos (Ansys, COMSOL, etc.).

Para uma única trilha em um PCB (independentemente de sua largura), você pode obter a capacitância e indutância parasitas por dois métodos:

• Cálculo direto, exigindo um solucionador de campos ou algumas fórmulas analíticas complexas encontradas em artigos de periódicos
• Cálculo por comparação, que envolve comparar cálculos de impedância sem parasitas com cálculos de impedância de trilhas acopladas

O primeiro ponto, cálculo direto, é muito poderoso e requer algum software caro. Você também pode encontrar fórmulas para estruturas específicas na literatura, mas essas são frequentemente fórmulas muito complexas que envolvem potencialmente dezenas de parâmetros. Fórmulas de acoplamento mútuo para diferentes estruturas também têm muito pouca generalização.

O segundo ponto, determinação por comparação, é na verdade relativamente simples se você tiver as fórmulas disponíveis, é simplesmente uma questão de comparar valores de impedância de diferentes calculadoras. Basicamente, foi isso que fiz em um artigo anterior sobre o espaçamento entre o preenchimento de cobre e microstripes/striplines de 50 Ohms de impedância; ao comparar os valores de impedância para uma largura específica, é possível determinar quando os parasitas criam um efeito notável na impedância.

Nas próximas seções, adotarei uma abordagem semelhante, mas usarei o resolvedor de campo no Altium Designer para gerar resultados. Usando os resultados dos cálculos de impedância de trilhas simples e, em seguida, comparando-os com outros cálculos de impedância de trilhas, você pode rapidamente extrair os valores dos parasitas com algumas fórmulas simples.

O Método

O método aqui é simples e baseia-se em comparar cálculos de impedância para uma trilha isolada com o cálculo de impedância para uma trilha com parasitas. Desta forma, você pode então calcular os valores dos parasitas, que são apenas capacitância e indutância mútuas. Note que, neste exemplo, estamos usando a impedância sem perdas, pois este é o valor retornado no Altium Designer. No entanto, isso lhe dá uma estimativa muito precisa dos parasitas até frequências de GHz.

Observe que qualquer aplicação de calculadora (como as calculadoras que criei em outros blogs) ou o Gerenciador de Pilha de Camadas no Altium Designer retornará apenas L ou L_p. Já que o numerador é a constante de propagação, agora temos 2 equações e 2 incógnitas, então o sistema pode ser resolvido para obter os parasitas. Este modelo foi derivado das equações dos Telegrafistas assumindo um plano ou trilha próxima à linha em questão, onde o condutor próximo é mantido em silêncio.

Você pode encontrar os valores de L ou L_p na aba de Impedância quando você cria um perfil de impedância no Gerenciador de Pilha de Camadas. Isso é mostrado abaixo, onde estamos comparando um microstrip com um microstrip coplanar; ambos têm a mesma largura. Fazer essa comparação nos permite determinar exatamente quanto a capacitância parasita é introduzida pela presença de um plano de terra próximo.

O que esse resultado mostra é que um microstrip de 14.423 mil de largura em um substrato de 8 mil com Dk = 4.2, que é colocado a 8 mil de distância de um plano próximo, terá 64.5 fF de capacitância parasita e 755 pH de indutância parasita introduzidos pelo plano próximo. Isso é muito mais rápido do que usar algo como impedâncias mútuas e próprias (matriz de parâmetros Z) para um traço e alguma outra estrutura.

Único Traço Próximo a um Plano

Isso envolve uma comparação entre as impedâncias de um único traço e de uma linha coplanar com o seguinte procedimento:

1. Selecione uma espessura de substrato e largura de traço para um microstrip ou stripline. Anote os valores de indutância e capacitância.
2. Configure o mesmo traço com uma linha coplanar. Selecione um grande espaçamento para o início do aterramento. Anote os valores de indutância e capacitância.
3. Ajuste o espaçamento do aterramento e calcule a impedância.
4. Use os dados de 3 e as equações acima para calcular a impedância mútua e a capacitância.
5. Vá para o Passo 1 e repita para uma nova espessura de substrato/valor de Dk.

À medida que você itera através de uma série de valores de acordo com o Passo 5, você pode construir um gráfico que mostra os valores de capacitância e indutância mútuas, como eu fiz abaixo.

O gráfico abaixo mostra os resultados para microstrip em substratos de 8 mil e 4 mil de espessura com Dk = 4.2; as larguras de trilha correspondentes são 14 mil e 7 mil, respectivamente. A ideia aqui era manter a mesma relação W/H, pois esse valor é principalmente responsável por definir a impedância de uma trilha. A partir do gráfico abaixo, podemos ver imediatamente que o substrato mais fino fornece uma capacitância parasita muito menor, portanto, esperamos um crosstalk de alta frequência muito menor.

Veja se você pode continuar neste processo de variação de parâmetros para extrair mais tendências para diferentes valores de espessura de substrato e larguras de trilha. Os resultados aqui também poderiam ser implementados para striplines, tanto simétricos quanto assimétricos.

Aqui, há uma solução clara para o problema do excesso de capacitância parasita de volta à região próxima de cobre aterrado: usar um dielétrico mais fino. Note que os efeitos na indutância parasita tornam-se quase independentes do espaçamento para a região de cobre aterrado quando o espaçamento fica pequeno, ilustrando que o cobre aterrado não é tão útil na supressão de crosstalk de baixa velocidade, mas pode ser muito mais útil para suprimir ruídos de alta frequência.

Uma Trilha Próxima a Outra Trilha (Mesmas Larguras)

Para linhas acopladas, você também pode obter um valor de capacitância e indutância mútuas entre dois traços. No entanto, observe que o modelo acima lida com traços de extremidade única, enquanto estamos trabalhando com um modelo diferencial, portanto, temos que reduzir a impedância diferencial retornada por um fator de 2 antes de resolver nossas equações simultâneas para obter os parasitas. Nos resultados abaixo, usei os mesmos dois tipos de substrato para traços de microstrip (novamente, Dk = 4.2) e iterei através da separação dos traços para determinar os parasitas. Note que isso foi não realizado usando espaçamento para qualquer cobre aterrado (não coplanar).

Assim como no caso de um microstrip de extremidade única, você poderia aplicar o mesmo tipo de modelo e procedimento para striplines. Vemos indutâncias mútuas muito maiores, como esperaríamos para seções mais estreitas do condutor.

Como esses valores mudam se fôssemos usar um laminado de PCB com Dk mais baixo, como um material de PCB da Rogers? No gráfico abaixo, executei novamente o conjunto de simulações acima com a ferramenta de impedância no Altium Designer e cálculos de impedância de linha de transmissão assumindo uma linha quieta, mas fiz isso assumindo um Dk = 3. Como o valor de Dk é mais baixo, poderíamos esperar dois resultados:

1. Redução na capacitância mútua porque o valor de Dk do laminado é menor
2. Assumindo que visamos a mesma impedância, esperaríamos uma indutância mútua menor

É exatamente isso que vemos nos resultados abaixo. O gráfico abaixo mostra a capacitância mútua e a indutância mútua entre dois traços em um material de laminado PCB com Dk = 3. Aqui podemos ver por que alguns sistemas avançados que empregam sinais com taxas de transição muito rápidastendem a optar por um laminado de Dk mais baixo. O valor de Dk mais baixo fornecerá uma indutância mútua menor para uma dada impedância. Os resultados abaixo mostram apenas microstrips, mas esperaríamos ver resultados semelhantes em striplines.

Com striplines, reduzir a capacitância parasita entre dois traços simplesmente mudando o Dk e a espessura, mantendo a largura do traço constante, dará os mesmos resultados. No entanto, em microstrips, essa não é exatamente a mesma tendência direta. A razão para isso é por causa doresultado clássico do Dk efetivo que determina a impedância do microstrip. Isso cria uma dependência não linear entre o valor de Dk efetivo, a largura do traço e a espessura do dielétrico:

Isso significa que, assim que você alterar o valor de Dk na sua camada de microstrip, e então mudar a espessura do substrato para manter a mesma largura de trilha, você pode não ver a redução esperada na capacitância parasita ou na indutância. No entanto, se você realizasse o mesmo em striplines, não teríamos essa complicação.

Apesar da pequena complicação com trilhas de microstrip, os seguintes resultados geralmente se mantêm:

• Reduzir a distância até o terra reduz os parasitas de trilha para trilha
• Reduzir o valor de Dk ao redor das trilhas enquanto mantém a mesma impedância reduz os parasitas de trilha para trilha

Para designs avançados, onde requeremos baixo crosstalk até muitos GHz de largura de banda, isso deve mostrar que uma simples mudança de empilhamento pode ajudar na redução de crosstalk.

Parasitas e Integridade de Sinal

À medida que avançamos por esses pontos sobre design de interconexão e determinação de limitações aceitáveis de densidade de trilhas, usarei alguns desses resultados para analisar crosstalk em alguns artigos futuros. Este método de comparação é simples, mas poderoso, e pode ajudá-lo a examinar o nível em que os parasitas começarão a criar um efeito limitador de banda em trilhas de alta velocidade/alta frequência.

Além da impedância e do diafonia, a outra área em que os parasitas são importantes é no roteamento, especificamente em pares diferenciais e sinais de alta frequência. Os parasitas afetam os sinais de duas maneiras:

• Desvio em pares diferenciais: Parasitas (principalmente capacitância) em uma linha diminuirão a velocidade do sinal em relação à outra linha, causando excesso de desvio. Isso pode fazer com que as taxas de transição de cada sinal de polaridade se desalinhem se o desvio for excessivo.
• Resposta de fase em sinais de RF: Uma mudança na constante de propagação devido a parasitas pode criar uma mudança na resposta de fase de um interconector. Isso é importante em guias de onda acoplados por borda, emissores de camada superficial, qualquer circuito que dependa de ressonância para definir sua função de transferência e qualquer um desses elementos organizados em uma cascata em série. Este é um tópico muito mais avançado que ensino na minha aula de design de interconexão de alta frequência, mas criarei mais artigos sobre isso no futuro.

Para sinais digitais transmitidos em pares diferenciais, a solução é simples: manter a simetria da e ao redor da trilha e impor correspondência de comprimento. Embora a correspondência de comprimento não precise ser perfeita, as ferramentas CAD facilitam muito chegar perto da perfeição. Sempre deve haver algum nível de correspondência de comprimento imposta para garantir que as taxas de borda do sinal permaneçam sincronizadas no receptor. Você notará que o calculador de impedância também fornece um cálculo do atraso de propagação que inclui parasitas, para que o ajuste de atraso possa ser realizado. O ajuste de comprimento baseado em tempo (também conhecido como ajuste de atraso) garante que você sempre tenha uma estrutura de correspondência de comprimento precisa aplicada no layout da sua PCB.

Os recursos de roteamento interativo e criação de pilha de camadas no Altium Designer^® permitem realizar uma série de tarefas de extração de parasitas. Basta usar o solucionador de campo eletromagnético integrado no Gerenciador de Pilha de Camadas para várias geometrias de trilhas e seguir os passos acima para determinar parasitas em outras trilhas ou planos. Quando estiver pronto para liberar seus arquivos de fabricação de placas e desenhos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365^™ facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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