Impedancia Controlada PCB

¿Qué es Impedancia Controlada en PCB?

A menos que se haya diseñado cuidadosamente la traza y su entorno, la impedancia suele ser "incontrolada", lo que significa que la impedancia variará de valor de un punto a otro a lo largo de la traza.
A altas frecuencias, las trazas de PCB no se comportan como simples conexiones, por lo que la impedancia controlada nos ayuda a garantizar que las señales no se degraden a medida que recorren una PCB.
Básicamente, la impedancia controlada consiste en adaptar las propiedades del material del sustrato a las dimensiones y ubicaciones de las trazas para garantizar que la impedancia de la señal de una traza se encuentre dentro de un determinado porcentaje de un valor específico. Las placas de impedancia controlada ofrecen un rendimiento de alta frecuencia repetible.

¿Cuándo utilizar la impedancia controlada?

Cuando una señal debe tener una impedancia determinada para funcionar correctamente, debe utilizarse la impedancia controlada. En aplicaciones de alta frecuencia, la adaptación de la impedancia de las trazas de PCB es importante para mantener la integridad de los datos y la claridad de la señal. Si la impedancia de la traza de PCB que conecta dos componentes no coincide con la impedancia característica de los componentes, pueden aumentar los tiempos de conmutación en el dispositivo o el circuito. También pueden producirse errores aleatorios.

¿Qué determina la impedancia controlada?
La impedancia característica de una traza de PCB viene determinada normalmente por su reactancia inductiva y capacitiva, su resistencia y su conductancia. Estos factores son una función de las dimensiones físicas de la traza, la constante dieléctrica del material del sustrato de PCB y el grosor dieléctrico. Normalmente, la impedancia de la traza de PCB puede oscilar entre 25 y 125 ohmios. El valor de impedancia generado a partir de la estructura de la PCB vendrá determinado por los siguientes factores:

- Anchura y grosor de la traza de señal de cobre (superior e inferior)
- Grosor del núcleo o material preimpregnado a ambos lados de la traza de cobre
- Constante dieléctrica del núcleo y del material preimpregnado
- Distancia de otros elementos de cobre

¿Cómo calcular el control de la impedancia?
Determinar las impedancias en una PCB es importante y requiere algunos métodos de medición particulares. Echemos un vistazo a algunas medidas de control de impedancias que son creíbles, precisas y fiables.

Diagrama de Smith
El diagrama de Smith existía antes de que aparecieran los ordenadores o el software de diseño de PCB. El diagrama se utiliza para describir la relación entre la impedancia de la fuente y la de la carga con la ayuda de gráficos. También se basa en una serie de cálculos matemáticos para proporcionar un valor de impedancia para una traza determinada.
Simulación por ordenador
Los programas informáticos actuales utilizan tecnología compleja para determinar los números de impedancia de control. La ventaja de estos programas es que pueden fusionar las consideraciones de tu diseño en una simulación para ver un producto virtualmente acabado. Sin embargo, este software suele ser caro de adquirir y utilizar para modelar un diseño de PCB acabado.
Calculadora de impedancia en línea
Las calculadoras en línea son mucho más eficaces y están más extendidas que el software de diseño con funciones de control de impedancia de PCB. Puede averiguar la impedancia controlada para una traza a través de estas calculadoras. Estas calculadoras no son tan precisas como los simuladores, pero siempre se obtiene una cifra aproximada para poner en marcha el proceso. Un pequeño ajuste posterior puede mantenerte seguro porque la mayoría de estas calculadoras utilizan números estándar de las guías de diseño para placas de impedancia de alta velocidad.
Los tres métodos anteriores constituyen un buen punto de partida para los cálculos. Independientemente del método que adopte, empezará con un conjunto de reglas seguras en comparación con la ausencia de cálculo de la impedancia.

Aplicaciones de la impedancia controlada

La impedancia controlada debe tenerse en cuenta para PCBs utilizados en aplicaciones digitales rápidas como:

- Telecomunicaciones
- Informática 100 MHz y superior
- Vídeo analógico de alta calidad
- Procesamiento de señales
- Comunicación RF

Introducción al diseño y fabricación de PCBs de impedancia controlada. Cuando las trazas de la placa transportan señales que contienen altas frecuencias, hay que tener cuidado de diseñar trazas que se ajusten a la impedancia de los dispositivos conductores y receptores.
Cuanto más larga sea la traza, o mayores sean las frecuencias implicadas, mayor será la necesidad de controlar la impedancia de la traza. El fabricante de PCB controla la impedancia variando las dimensiones y el espaciado de la traza o laminado concreto. Por estas razones, un diseñador de PCB especificará la impedancia de la traza y la tolerancia, y deberá trabajar con el fabricante de PCB para garantizar que la PCB cumple las especificaciones de sus requisitos de PCB de Impedancia Controlada.

La impedancia es la suma de la resistencia y la reactancia de un circuito eléctrico expresada en Ohmios. La resistencia es la oposición al flujo de corriente presente en todos los materiales. La reactancia es la oposición al flujo de corriente resultante del efecto de la capacitancia y la inductancia inherentes al conductor que interactúan con los cambios de tensión y corriente. En los circuitos de corriente continua no hay reactancia y la resistencia de los conductores de cobre suele ser insignificante. Sin embargo, en los circuitos de CA de alta velocidad (aquellos con cambios bruscos de tensión y/o corriente) la reactancia y, por tanto, la impedancia pueden llegar a ser muy significativas. Esto puede llegar a ser crítico para la funcionalidad de un diseño debido a los efectos que los cambios en la impedancia a lo largo de la trayectoria de las señales del transmisor al receptor tendrán en la eficiencia de la transferencia de potencia, así como en la integridad de la señal. Mientras que la velocidad de un circuito se expresa a menudo como la frecuencia de la forma de onda, la preocupación fundamental es la velocidad a la que se requiere que cambie la tensión y/o la corriente.

Fabricación de PCB de control de impedancia
Para satisfacer la creciente demanda de PCB de control de impedancia, los fabricantes de PCB han invertido mucho dinero y recursos de mano de obra y materiales en tecnología de producción para satisfacer los requisitos de producción de los clientes.

Debido a la dificultad de la producción de PCB de control de impedancia, los fabricantes de PCB generalmente requieren que los diseñadores o compradores de PCB proporcionen información y requisitos más detallados, como el tipo de material necesario, el peso y el grosor del cobre de la placa, el número de capas, el archivo Gerber, para que el fabricante pueda preparar la lista de materiales (BOM). La información sobre la impedancia debe marcarse en el archivo Gerber. Si falta la información necesaria, incluso un pequeño dato crítico dificultará o imposibilitará que los ingenieros del fabricante sepan exactamente lo que necesita el cliente.

PCBs con control de impedancia también se dividen en tres situaciones diferentes:
Sin control de impedancia:
Se trata de una situación en la que no se necesita ningún elemento de diseño adicional para garantizar una impedancia correcta porque la tolerancia de impedancia es muy laxa. Naturalmente, esto dará como resultado una placa más rápida y menos costosa porque el fabricante no tiene que incluir ninguna medida especial.
Vigilancia de la impedancia:
¿Qué es la vigilancia de la impedancia? Se trata de una situación en la que el diseñador traza la línea de control de la impedancia y el proveedor de PCB ajusta la anchura de la línea y la altura del dieléctrico en consecuencia. Una vez que el fabricante aprueba estas especificaciones, puede empezar a fabricar la placa. Puede solicitar una prueba de reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) para confirmar la impedancia, previo pago.
Control de la impedancia:
El control de la impedancia real es algo que normalmente sólo se solicita cuando el diseño tiene tolerancias de impedancia estrictas que podrían ser difíciles de alcanzar la primera vez. Cuando los límites de capacidad del fabricante se acercan a los requisitos dimensionales, puede ser difícil garantizar la impedancia objetivo en el primer intento.
En el caso del control de la impedancia, el fabricante hace que la placa de circuito alcance la impedancia objetivo en la medida de lo posible. A continuación, realizan una prueba TDR para comprobar si lo han conseguido. Si no es así, realizan los ajustes necesarios y vuelven a intentarlo hasta alcanzar la impedancia deseada.