5 dicas para melhorar o barato

Kerry Chayka | 25 de maio de 2023

O projeto de circuitos de alta velocidade é uma das áreas mais fundamentais e desafiadoras do projeto eletrônico. Circuitos de alta velocidade são comumente usados ​​hoje em dia, pois padrões como USB, HDMI e PCIe exigem que a maioria dos engenheiros elétricos profissionais mergulhe no mundo da alta velocidade. Olhando para o futuro, vemos uma tendência geral de aumento das frequências de clock em toda a linha, o que significa que os sinais de alta velocidade se tornarão ainda mais comuns. Se você é um designer eletrônico hoje, simplesmente não há como evitar a alta velocidade.

Sinais de alta velocidade apresentam complexidade extra e desafios técnicos exclusivos que tornam o projeto de hardware menos simples. Uma dessas considerações técnicas é a correspondência de impedância - uma área única e menos conhecida do projeto de circuitos. Nesta contribuição, abordarei os fundamentos da correspondência de impedância e compartilharei 5 dicas para garantir que qualquer projeto de circuito de alta velocidade funcione como pretendido.

Para entender como projetar circuitos de alta velocidade, devemos primeiro olhar para a teoria da linha de transmissão.

Todos os condutores em um circuito elétrico têm uma impedância característica, dadas as contribuições agregadas de capacitância, indutância e resistência parasitas. Na maioria dos sistemas de baixa velocidade, o impacto desses parasitas é insignificante, pois os efeitos da indutância e da capacitância aumentam com a frequência. No entanto, uma vez que as frequências começam a ficar altas o suficiente, esses parasitas não são mais desprezíveis e os efeitos da linha de transmissão entram em ação.

Especificamente, isso acontece quando o comprimento de onda de um sinal se torna comparável ao comprimento físico do condutor. Alternativamente, quando o comprimento da interconexão em polegadas for maior que o dobro do tempo de subida do sinal em nanossegundos, os efeitos da linha de transmissão serão relevantes.

Um circuito sujeito aos efeitos da linha de transmissão é caracterizado por sua impedância característica, comumente denotada por Z0, que é uma abstração matemática do comportamento da linha de transmissão que é determinado pela geometria da linha. Em circuitos de alta velocidade, a impedância característica é relevante porque se houver uma incompatibilidade entre a impedância da carga (ou fonte) e a impedância característica da linha, o circuito sofrerá reflexões de sinal. Em outras palavras, se a impedância da carga (ou fonte) não for exatamente igual à impedância característica da linha, parte da energia do sinal será refletida de volta ao longo da linha. A proporção de reflexão do sinal é definida pela equação (Zl-Z0/Zl+Z0).

As reflexões são extremamente prejudiciais para o desempenho do circuito porque resultam em distorção de sinal e padrões de ondas estacionárias ao longo da linha de transmissão. Quando o sinal fica distorcido, sua integridade é comprometida, a qualidade do sinal diminui e os dados no barramento podem ser corrompidos. Se não for dada muita atenção aos efeitos da linha de transmissão, os circuitos de alta velocidade podem falhar completamente.

Para atenuar os efeitos das reflexões de sinal em circuitos de alta velocidade, devemos controlar as impedâncias que o sinal encontrará ao longo de nosso projeto.

A correspondência de impedância, ou controle de impedância, é uma técnica no projeto de placa de circuito impresso (PCB) na qual você projeta seletivamente seus traços de PCB de modo que as reflexões de sinal sejam mantidas no mínimo.

Na maioria dos casos, a impedância alvo para o seu sinal será definida pelo protocolo e pelas partes que implementam esse protocolo. Por exemplo, o USB geralmente requer uma impedância diferencial de destino de 90 ohms, enquanto muitos protocolos padrão de terminação única especificam 50 ohms como o destino.

Um projetista é capaz de controlar a impedância de seus traços escolhendo criteriosamente a geometria do traço e combinando essas dimensões com as propriedades do material do substrato. As principais variáveis ​​geométricas aqui são a largura do traço, a espessura e a distância aos planos de terra, todas as quais afetam diretamente a impedância de um sinal. Outras variáveis ​​baseadas em materiais incluem propriedades do substrato, como a constante dielétrica. Na prática, esses valores serão determinados por meio do uso de uma calculadora de PCB que geralmente é externa à ferramenta de projeto de PCB.