Jugar con un niño pequeño puede enseñarnos mucho sobre el diseño de PCB. Muy bien, no tienen que creerme, pero déjenme mostrarles: lanzar la pelota a otra persona a la velocidad correcta y golpear el blanco requiere coordinación mano-ojo, fuerza muscular y conciencia de la mecánica física fundamental. La mayoría de nosotros no pensamos mucho en lanzar, pero para un niño, comprender estos fundamentos a veces parece escalar una montaña insuperable.
El conjunto de habilidades de diseño de PCB es, de hecho, bastante similar. Ya sea que se trate de mapear dónde se encuentran las ubicaciones objetivo o localizar secciones particularmente problemáticas o vulnerables, los procesos de pensamiento son paralelos. Las señales, también, deben llegar a tiempo y en el objetivo. Conceptos fundamentales de libros de texto que a veces damos por sentado pueden ser grandes cuando se ignoran, pero también pueden ofrecer soluciones.
¿Por qué es importante la coincidencia de Impedancia? La impedancia No coincidente Causa problemas
Aquí hay una noticia de última hora: El diseño de PCB se ha vuelto más complejo. Ya sea en el mercado de consumo o de la industria, los dispositivos de alta velocidad y alta frecuencia se han convertido en la norma. Y esto es solo el comienzo.
Cuando trabajamos con estos diseños de frecuencia ultra alta, debemos tener en cuenta los fundamentos. Por ejemplo, el emparejamiento de impedancia a menudo se convirtió en una idea de último momento para los equipos de diseño que trabajan con frecuencias bajas y medias. Sin embargo, la coincidencia de impedancia desafía el diseño de circuitos de RF y microondas porque la ventana de error disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Los circuitos digitales de alta velocidad requieren impedancias controladas muy estables debido al impacto en la tasa de error de bits y el potencial de distorsión de pulso, reflexión y EMI.
El funcionamiento adecuado del circuito depende de la coincidencia de impedancia, o de la capacidad del circuito para transferir señales de manera eficiente desde la fuente al enrutamiento y luego desde el enrutamiento a la carga. La impedancia, si no se trata correctamente, tiene un impacto notablemente negativo en el rendimiento del circuito. Sin la adaptación de impedancia adecuada, las reflexiones pueden existir a lo largo del camino desde la fuente hasta la carga.
Hasta que se produzca la atenuación, las señales se propagan felizmente de un lado a otro en el trazo e interfieren con la señal transmitida. Los reflejos y las ondas estacionarias en líneas de alta frecuencia se mezclan con las señales deseadas y forman una mezcla de amplitud y distorsión de fase. Los resultados directos de esta interferencia incluyen la fluctuación de los datos y una reducción de la relación señal-ruido. A medida que aumenta la distancia de la fuente a la carga, las ondas estacionarias hacen que la impedancia fluya y refluya.
Fundamentos de coincidencia de impedancia
Un buen diseño de PCB requiere atención a los fundamentos. Al considerar el impacto de la impedancia en un circuito, necesitamos considerar las relaciones fundamentales entre resistencia, reactancia e impedancia.
Aunque ciertamente puede probar manualmente sus placas individuales, un simulador de ESPECIAS podría ayudar a acelerar las cosas.
Todo el mundo sabe que una resistencia se opone a una corriente eléctrica constante y, como resultado, reduce la energía. La reactancia mide la oposición a la corriente causada por una capacitancia o una inductancia. Mientras que una resistencia perfecta no varía con la frecuencia, el impacto de las frecuencias cambiantes en un condensador o un inductor hace que la reactancia inductiva (XL) o capacitiva (XC) cambie con la frecuencia de una señal de CA.
Con todas esas cosas en mente, hagamos el salto a la impedancia. Sabemos que la impedancia es el opuesto total de un dispositivo o circuito al flujo de una corriente alterna. Además, también sabemos que la impedancia de un condensador tiene una relación inversamente proporcional a la capacitancia, mientras que la impedancia de un inductor tiene una relación directa con la inductancia.
Aplicar el propósito al Conocimiento de Impedancia
¿Dónde se conecta toda esta gran información sobre los fundamentos de los libros de texto con el diseño de PCB? No importa el tamaño de la PCB, las trazas forman líneas de transmisión. Impedancia característica (Zo) representa la impedancia constante de una línea sin ondas reflectantes. Cuando un circuito transmite una señal y las ondas de transmisión alcanzan la carga, las ondas de reflexión viajan de regreso a la fuente y la impedancia de entrada de la línea de transmisión cambia con la adición de las ondas reflejadas.
Nuestro objetivo con el emparejamiento de impedancia es hacer que la impedancia de carga parezca parecerse a la impedancia de origen. Para lograr una transferencia de señal eficiente, necesitamos alcanzar un objetivo de impedancia característica de impedancia de 50 Ω, el punto óptimo para una transferencia de señal eficiente. Se producen pocos reflejos de señal. Las buenas prácticas de diseño de PCB buscan lograr una impedancia característica de 50 Ω en las uniones de la línea de transmisión, las conexiones de componentes y los terminadores.
Hacer coincidir las impedancias en todo el circuito produce una relación de onda estacionaria de bajo voltaje deseada (VSWR). Los circuitos VSWR bajos transfieren la cantidad máxima de energía de la fuente a la carga. Hay más. Los circuitos digitales ofrecen el rendimiento deseado debido a los cortos tiempos de transición y las altas velocidades de reloj. Los dispositivos y aparatos tienen mejores capacidades debido a la transferencia secuencial de señales más rápida. El aumento constante de las velocidades de conmutación de la señal requiere otra mirada para controlar la impedancia de las líneas de transmisión/trazas de PCB.
Impedancia de control Temprana con SPICE
El control de la impedancia de PCB comienza sabiendo cómo las diferentes variables afectan el rendimiento del circuito. Esas variables incluyen constante dieléctrica, altura dieléctrica, espesor de trazas, espesor de sustrato y ancho de trazas. Pensemos en esas variables por un momento. Cada uno involucra geometría física que produce la inductancia de longitud unitaria.
Con tantas opciones de componentes disponibles, el diseño puede ser difícil de manejar.
Ahora, todo comienza a unirse. La constante dieléctrica es la relación entre la permitividad del dieléctrico y la permitividad de un vacío. La permitividad describe el efecto del cobre en un campo eléctrico y la permitividad muestra la capacidad de un material para polarizarse en respuesta a un campo aplicado. El aumento de la polarización en un campo aplicado de una fuerza establecida hace que la constante dieléctrica aumente.
Con cualquier PCB, el diseño de trazas o los materiales utilizados para la traza pueden provocar cambios en los valores de impedancia. Cambios repentinos en la dirección de la traza causan cambios en la impedancia. La constante dieléctrica también puede cambiar a lo largo o ancho de una traza de PCB o debido a cambios en la frecuencia y la temperatura. Cada varianza afecta la impedancia característica de un circuito de RF. Los cambios en la impedancia pueden reducir la ganancia de señal, generar ruido o causar errores aleatorios.
Se produce una línea de impedancia controlada si un diseño de PCB tiene una impedancia característica específica a lo largo de una traza. Debido a que la capacitancia ocurre en función de la permitividad relativa del material dieléctrico, podemos controlar la impedancia con una traza que tiene una geometría de sección transversal uniforme y permitividad constante. Con el aumento de la capacitancia, la impedancia característica disminuye. En términos de diseño, el cambio en la impedancia característica afecta nuestras capacidades de adaptación de impedancia. Los materiales con una constante dieléctrica más baja requieren un aumento en el ancho del conductor para mantener la impedancia característica y disminuir la oportunidad de pérdida.
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