Calculadoras de Atraso de Linha de Transmissão em Design de PCB

Linhas de transmissão são uma daquelas coisas enganosamente complexas que tornam a vida moderna possível. O que parece ser um simples cabo metálico é, na verdade, um sistema precisamente projetado. As trilhas em PCBs não são diferentes, e elas são como os vasos sanguíneos que alimentam seus dispositivos eletrônicos.

Então, o que é uma linha de transmissão afinal? Este termo foi inicialmente adotado para criar a analogia entre trilhas em um PCB e linhas de energia civis. O termo “linha de transmissão” tende a ser usado sem muito contexto. Nem todas as trilhas em um PCB são linhas de transmissão, e as regras de design para linha de transmissão se tornam importantes em alguns casos.

Minhas Trilhas São Linhas de Transmissão?

O termo “linha de transmissão” refere-se ao comportamento de uma trilha em um PCB em vez de sua construção. Uma trilha específica pode se comportar como uma linha de transmissão sob algumas condições, enquanto se comporta como um simples condutor em outras condições.

A resposta para se suas trilhas agem como linhas de transmissão depende da quantidade de tempo que leva para um sinal se propagar pela trilha. Esse tempo tem sido referido como atraso de linha, atraso de propagação, ou atraso de transmissão, e todos esses termos são usados de forma intercambiável.

Se o atraso de linha no seu traço for muito maior do que o tempo de subida de um sinal digital que viaja no traço, então o traço agirá como uma linha de transmissão. Com sinais analógicos, o tempo de subida é considerado como um quarto do período de oscilação do sinal. Em ambos os casos, traços e componentes em cada extremidade precisam ser compatibilizados em impedância para prevenir diversos problemas de integridade de sinal.

Linhas de transmissão elétrica

Calculadoras Online de Linha de Transmissão

Se você quer uma maneira rápida e prática de projetar seus traços para terem um valor de impedância específico, você pode usar uma calculadora online de linha de transmissão. Esta ferramenta pode calcular vários parâmetros críticos como comprimento unitário que descrevem seus traços para diferentes arranjos, incluindo microstrips, microstrips embutidos e traços de stripline.

Uma coisa que você começará a notar é que a maioria das calculadoras online de linha de transmissão ignora completamente a dependência da frequência da impedância da linha de transmissão. Na realidade, existe um efeito devido à frequência, e o efeito é mais pronunciado dependendo da resistência, capacitância, indutância e condutância no sistema.

A impedância encontrada por sinais de baixa frequência tende a ser mais sensível a mudanças de frequência do que a impedância em altas frequências. Alguns calculadores online de linhas de transmissão não permitem sempre explorar a impedância em baixas frequências e geralmente assumem que você está trabalhando em alta frequência.

Em frequências muito altas, como as usadas em aplicações de RF, essa dependência de frequência satura para um valor constante. Assim, a maioria dos calculadores online assume que você está trabalhando em uma frequência alta o suficiente para que essa dependência possa ser ignorada.

Um resultado importante de um calculador de linhas de transmissão é a constante dielétrica efetiva. Esse parâmetro depende das dimensões do traço, bem como do contraste entre as constantes dielétricas do condutor e do substrato. Esse parâmetro desempenha o mesmo papel que um índice de refração efetivo em fibras ópticas, pois determina quão rápido um sinal se propaga pela linha de transmissão.

É aqui que os calculadores online de linhas de transmissão também são úteis. Uma vez que você tenha sua constante dielétrica efetiva, você pode usá-la para calcular o atraso de linha em seus traços. Após calcular o atraso de linha e compará-lo com o tempo de subida do seu sinal, você terá sua resposta sobre se seus traços estão realmente se comportando como linhas de transmissão.

Design de eletrônicos com um calculador

Simulações SPICE e Linhas de Transmissão

Os simuladores SPICE são úteis para examinar problemas de integridade de sinal em PCBs, especialmente em aplicações de alta velocidade, alta frequência, HDI e baixa corrente. Nem todas as simulações SPICE retornarão diretamente o valor da impedância de suas linhas de transmissão; eles permitirão que você diagnostique problemas de integridade de sinal que podem surgir devido à incompatibilidade de impedância entre trilhas e componentes. Pacotes de software de design online e para desktop oferecem acesso a simulações SPICE.

Todas as PCBs possuem alguma capacitância e indutância parasitas devido à separação dos elementos metálicos pelo dielétrico do substrato. Ao trabalhar com uma simulação SPICE, os efeitos da impedância parasita precisam ser modelados adicionando capacitores e indutores em posições em série e em paralelo no seu modelo de circuito equivalente.

Uma simulação SPICE típica não inclui isso diretamente, e você teria que adicionar indutores e capacitores em pontos estratégicos para levar em conta a reatância parasita. Simuladores SPICE mais avançados levam isso em conta diretamente. Sua capacitância e indutância parasitas podem ser calculadas diretamente a partir da constante dielétrica do substrato da PCB e do arranjo dos condutores na placa.

A saída de um bom modelo SPICE é fundamental porque permite visualizar problemas como oscilação, ground bounce, desajuste de sinal devido ao atraso de propagação e até acoplamento de ruído. Diagnosticar esses problemas de sinal antes da fabricação pode ajudá-lo a evitar a encomenda de um lote de placas defeituosas.

Essa saída é geralmente exibida em um gráfico de tensão (ou corrente) versus tempo. Esse tipo de saída permite comparar as intensidades de sinal de entrada e saída, atraso de propagação e integridade do sinal. Ao trabalhar no domínio da frequência, você pode ver a função de transferência que define a relação entre os sinais de entrada e saída.

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