jogar captura com uma criança pode nos ensinar muito sobre o design de PCB. Tudo bem, você não tem que acreditar em mim, mas deixe-me mostrar-lhe: atirar a bola para outra pessoa na velocidade certa e acertar o alvo requer coordenação mão-olho, força muscular, e consciência da mecânica física fundamental. A maioria de nós não pensa muito em atirar, mas para uma criança, agarrar esses fundamentos às vezes parece escalar uma montanha insuperável.
o conjunto de habilidades de design de PCB é, de fato, bastante similar. Quer se trate de mapear onde os locais-alvo estão ou de localizar secções particularmente problemáticas ou vulneráveis, os processos de pensamento são paralelos. Os sinais também têm de chegar a tempo e ao alvo. Conceitos básicos fundamentais que às vezes tomamos como garantidos podem ser grandes quando ignorados, mas também podem oferecer soluções.
por que é importante a correspondência de impedância? A impedância incompatível causa problemas
aqui está uma novidade: o design de PCB tornou-se mais complexo. Quer no mercado do consumidor, quer no mercado da indústria, os dispositivos de alta velocidade e de alta frequência tornaram-se a norma. E isto é apenas o começo.Quando trabalhamos com estes projetos de ultra-alta frequência, temos de ter em conta os fundamentos. Como exemplo, a combinação de impedâncias muitas vezes se tornou uma reflexão posterior para as equipes de design que trabalham com frequências inferiores e médias. No entanto, a combinação de impedâncias desafia o design de circuitos RF e micro-ondas porque a janela de erro diminui à medida que a frequência aumenta. Circuitos digitais de alta velocidade requerem impedâncias controladas muito estáveis por causa do impacto na taxa de erro de bits e do potencial de distorção de pulso, reflexão e EMI.
o funcionamento adequado do circuito depende da combinação de impedância—ou da capacidade do circuito para transferir eficientemente sinais da fonte para o roteamento e, em seguida, do roteamento para a carga. A impedância – se não for tratada correctamente-tem um impacto notavelmente negativo no desempenho do circuito. Sem o adequado ajuste de impedância, as reflexões podem existir ao longo do caminho desde a fonte até a carga.
até ocorrer a atenuação, os sinais propagam-se alegremente para a frente e para trás no traço e interferem com o sinal transmitido. Reflexões e ondas de pé em linhas de alta frequência se misturam com sinais desejados—e formam uma mistura de amplitude e distorção de fase de uma bruxa. Os resultados diretos desta interferência incluem o ajuste de dados e uma redução na relação sinal-ruído. À medida que a distância entre a fonte e a carga aumenta, as ondas estacionárias causam impedância ao ebb e fluxo.
Fundamentos de correspondência de impedâncias
o bom design de PCB requer atenção aos fundamentos. Ao considerar o impacto da impedância em um circuito, precisamos considerar as relações fundamentais entre resistência, reactância e impedância.Um engenheiro que sabe por que razão a combinação de impedâncias é importante testa uma placa de circuito
embora possa certamente testar manualmente as suas placas individuais, um simulador de especiarias pode ajudar a acelerar as coisas.
todos sabem que uma resistência se opõe a uma corrente elétrica constante e—como resultado—reduz a energia. A reactância mede a oposição à corrente causada por uma capacitância ou uma indutância. Embora uma resistência perfeita não varie com frequência, o impacto da mudança de frequências em um capacitor ou um indutor faz com que a reatividade indutiva (XL) ou capacitiva (XC) mude com a frequência de um sinal AC.Com todas essas coisas em mente, vamos saltar para a impedância. Sabemos que a impedância é o oposto total de um dispositivo ou circuito ao fluxo de uma corrente alternada. Além disso, também sabemos que a impedância de um capacitor tem uma relação inversamente proporcional à capacitância, enquanto a impedância de um indutor tem uma relação direta com a indutância.
aplicar o propósito ao conhecimento da impedância
onde é que toda esta grande informação sobre os fundamentos dos livros se liga ao design dos PCB? Não importa o tamanho do PCB, os traços formam linhas de transmissão. Impedância característica (Zo) representa a impedância constante de uma linha sem ondas refletoras. Quando um circuito transmite um sinal e as ondas de transmissão atingem a carga, as ondas de reflexão viajam de volta para a fonte e a impedância de entrada da linha de transmissão muda com a adição das ondas refletidas.
nosso objetivo com o emparelhamento de impedância é fazer com que a impedância de carga pareça ser a impedância de origem. Para conseguir uma transferência eficiente de sinal, precisamos atingir um alvo característico de impedância de 50-Ω—o ponto doce para a transferência eficiente de sinal. Poucos reflexos de sinal ocorrem. Boas práticas de design de PCB procuram alcançar uma impedância característica de 50 Ω nas junções da linha de transmissão, conexões de componentes e terminadores.
igualar as impedâncias em todo o circuito produz uma relação de onda estacionária de baixa tensão (VSWR) desejada. Os circuitos VSWR de baixa potência transferem a quantidade máxima de potência da fonte para a carga. Há mais. Os circuitos digitais fornecem o desempenho desejado por causa dos tempos de transição curtos e das altas taxas de clock. Dispositivos e aparelhos têm melhores capacidades devido à transferência rápida e sequencial de sinais. O aumento constante das velocidades de comutação de sinais requer uma outra análise para controlar a impedância das linhas de transmissão/traços de PCB.
Impedância de controle no início com SPICE
controlar a impedância de PCB começa com o conhecimento de como diferentes variáveis afetam o desempenho do circuito. Essas variáveis incluem constante dielétrica, altura dielétrica, espessura do traço, espessura do substrato e largura do traço. Vamos pensar nessas variáveis por um momento. Cada um envolve geometria física que produz a indutância de comprimento unitário.
Com tantas escolhas de componentes disponíveis, o design pode ser complicado de gerir.Agora, tudo começa a juntar-se. A constante dielétrica é a razão entre a permissividade do dielétrico e a permissividade de um vácuo. A permissividade descreve o efeito do cobre em um campo elétrico e a permissividade mostra a capacidade de um material polarizar em resposta a um campo aplicado. O aumento da polarização em um campo aplicado de uma força estabelecida faz com que a constante dielétrica aumente.
com qualquer PCB, o trace design ou os materiais utilizados para o trace podem causar a mudança dos valores de impedância. Mudanças súbitas na direção do traço causam mudanças na impedância. Constante dielétrica também pode mudar ao longo do comprimento ou largura de um traço de PCB ou por causa de mudanças na frequência e temperatura. Cada variância afeta a impedância característica de um circuito RF. As mudanças na impedância podem diminuir o ganho de sinal, gerar ruído, ou causar erros aleatórios.Uma linha de impedância controlada ocorre se um projeto de PCB tem uma impedância característica específica ao longo do comprimento de um traço. Como a capacitância ocorre como uma função da permitividade relativa do material dielétrico, podemos controlar a impedância com um traço que tem uma geometria transversal uniforme e permitividade consistente. Com o aumento da capacitância, a impedância característica diminui. Em termos de design, a mudança na impedância característica afeta nossas capacidades de correspondência de impedância. Materiais com uma constante dielétrica inferior requerem um aumento na largura do condutor para manter a impedância característica e diminuir a oportunidade de perda.
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