Propriedades da Linha de Transmissão que Afetam a Impedância - Recursos Ocultos

Aqui e em vários outros artigos publicados na seção de Recursos da Altium no site da empresa, o tópico da impedância de linha de transmissão foi abordado sob várias perspectivas diferentes. Eu já tratei da impedância de linha de transmissão anteriormente no meu artigo, A Evolução da Tecnologia de Simulação e Impedância e, pode parecer que já esgotamos o campo de informações potenciais que podem ser fornecidas sobre impedância, no entanto, na verdade, alguns aspectos foram apenas mencionados brevemente. Este artigo irá elaborar sobre esses aspectos e seus efeitos, juntamente com as equações básicas que são usadas no controle da impedância de linha de transmissão.

Fontes de Impedância ou Incompatibilidade

Como discutido em artigos anteriores, as quatro principais variáveis que determinam a impedância de uma linha de transmissão em uma camada superficial incluem:

• Altura do traço acima do plano sobre o qual ele viaja.
• A largura do traço.
• A espessura do traço.
• O material isolante usado para suportar o traço.

Uma vez que as quatro variáveis acima são conhecidas, é possível determinar quais características em um PCB terão um efeito relevante na impedância. Essas características incluem:

• Alterações na largura do traço na mesma camada. Isso é geralmente referido como estreitamento de traço.
  • O estreitamento de traço refere-se à redução da largura do traço quando este se aproxima de um pad mais estreito, como o encontrado em um dispositivo de montagem em superfície (SMD) ou um furo passante que tem um diâmetro menor que a largura do traço.
• Alterações na espessura do traço.
• Alterações na altura acima do plano.
• Extensões ao longo da linha de transmissão.
• Cargas ao longo da linha de transmissão.
• Transições de conectores.
• Terminações mal combinadas.
• Sem terminações.
• Maiores descontinuidades no plano de potência.
• Alterações na constante dielétrica relativa.

Como observado em artigos anteriores, curvas em ângulo reto e vias não estão na lista acima porque nenhum desses recursos é uma fonte significativa de desajuste de impedância.

Equações de Impedância

Existem algumas equações que são úteis para calcular a impedância. Elas são apresentadas abaixo. Como observado anteriormente, a impedância de uma linha de transmissão é determinada pela capacitância e indutância que são distribuídas ao longo do comprimento da linha de transmissão. E, a equação usada para calcular a impedância é repetida aqui na Equação 1.

Equação 1. A Equação da Impedância

No texto acima, Z₀ é a impedância em ohms; jωL₀ é a indutância parasita em henrys por unidade de comprimento, jωC₀ é a capacitância parasita em farads por unidade de comprimento e R₀ é a perda por efeito pelicular (que pode ser ignorada até que se chegue a frequências muito altas). G₀ é a perda no dielétrico. Como mencionado acima, alterar a indutância parasita ou a capacitância parasita mudará a impedância da linha de transmissão. Também foi demonstrado que mudanças na impedância causam reflexões de sinal. Para conveniência, a equação de reflexão é repetida na Equação 2.

 
Equação 2. A Equação de Reflexão

Esta equação prevê a porcentagem do campo EM incidente que será refletido de volta para a fonte com base nas duas impedâncias de cada lado de uma mudança onde Z_l é a impedância a jusante e Z₀ é a impedância a montante. A equação reflete a amplitude de tensão da reflexão.

Com base na Equação 1, não é óbvio quais variáveis terão um efeito sobre a impedância. A Equação 3 é a clássica equação de microstrip de superfície. Ela ilustra as variáveis em uma PCB que determinam a impedância.

Equação 3. A Equação Clássica de Impedância de Microstrip de Superfície

Esta equação é incluída apenas para fins ilustrativos, de modo que as variáveis possam ser mostradas. Em um artigo separado, seguindo este, será demonstrado que esta equação, bem como outras equações usadas para calcular a impedância, têm um alcance limitado sobre o qual são válidas. Métodos mais precisos estão disponíveis e alguns foram discutidos em artigos anteriores. O artigo seguinte também conterá outros métodos para determinar a impedância.

As características comuns dos recursos mencionados acima é que eles podem ter um efeito mensurável em uma ou ambas as variáveis na Equação 1, indutância parasita ou capacitância parasita. Podemos pegar esses recursos e mostrar as variáveis que eles afetam.

• Mudança na largura do traço na mesma camada—C₀
• Mudança na espessura do traço—C₀
• Mudança na altura do traço acima do plano—C₀
• Stubs ao longo da linha de transmissão—C₀
• Cargas ao longo da linha de transmissão—C₀
• Transições de conectores—C₀
• Grandes descontinuidades no plano de alimentação—C₀
• Mudanças no constante dielétrico relativo—C₀
• Terminações mal combinadas
• Sem terminações

Como pode ser visto, com exceção de terminações mal combinadas e sem terminações, todas as fontes de desajuste de impedância são causadas por algo que alterou a capacitância parasita. Dentro dos limites das dimensões de trilhas em PCBs, comparado a C₀, L₀ é relativamente constante. Isso ajuda quando chega a hora de projetar caminhos de sinal de impedância controlada ou solucionar problemas de impedância.

Uma vez que se entende que praticamente todas as mudanças de impedância ao longo do comprimento de uma linha de transmissão são devidas a mudanças na capacitância parasita, torna-se mais fácil gerenciar essas mudanças e criar um bom controle de impedância.

A Tabela 1 mostra a constante dielétrica relativa do laminado que é comumente conhecido como FR-4.

Tabela 1. Informações do Laminado para Laminado Comumente Chamado FR-4

Não apenas a constante dielétrica relativa muda com a frequência, ela também varia com a quantidade de vidro e resina usada para fazer o laminado. Como pode ser visto, existem quatro maneiras de fazer uma peça de laminado com 4 mil de espessura; três maneiras de fazer uma peça de laminado com 5 mil de espessura e quatro maneiras de fazer uma peça de laminado com 6 mil de espessura. Além disso, note que a proporção de vidro para resina é diferente em cada uma dessas formulações, assim como é a constante dielétrica relativa. Se um empilhamento de PCB é projetado para usar uma dessas formulações e o fabricante usa uma das outras, a impedância não sairá como esperado. Esta é a razão mais comum pela qual a mudança de fabricantes resulta em PCBs com características diferentes. Para evitar esse problema, é necessário especificar, no desenho de fabricação, qual formulação de laminado é requerida em cada abertura no empilhamento.

Resumo

Entender as variáveis e características dentro de um PCB que podem afetar a impedância da linha de transmissão torna mais fácil projetar para o controle de impedância corretamente na primeira tentativa, e mais fácil de solucionar quaisquer problemas de impedância que possam ocorrer durante o projeto ou durante os processos de fabricação.

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Referências:

1. Ritchey, Lee W. e Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 1.”