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Apr 05, 2024

5 dicas para uma alta melhor

Kerry Chayka | 25 de maio de 2023 O projeto de circuitos de alta velocidade é uma das áreas mais fundamentais, porém desafiadoras, do projeto eletrônico. Circuitos de alta velocidade são comumente usados ​​hoje em dia, como padrões como USB,

Kerry Chayka | 25 de maio de 2023

O projeto de circuitos de alta velocidade é uma das áreas mais fundamentais, porém desafiadoras, do projeto eletrônico. Circuitos de alta velocidade são comumente usados ​​hoje, já que 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 todas as áreas, 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 introduzem complexidade extra e desafios técnicos únicos que tornam o projeto de hardware menos simples. Uma dessas considerações técnicas é o casamento de impedâncias – uma área única e menos conhecida do projeto de circuitos. Nesta contribuição, abordarei os fundamentos do casamento de impedâncias e compartilharei 5 dicas para garantir que qualquer projeto de circuito de alta velocidade funcione conforme planejado.

Para entender como projetar circuitos de alta velocidade, devemos primeiro examinar a teoria das linhas 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 velocidade mais baixa, o impacto desses parasitas é insignificante, uma vez que os efeitos da indutância e da capacitância aumentam com a frequência. No entanto, quando as frequências começam a ficar altas o suficiente, esses parasitas não são mais negligenciáveis ​​e os efeitos das linhas de transmissão entram em ação.

Especificamente, isto 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, então 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 ao desempenho do circuito porque resultam em distorção do sinal e padrões de ondas estacionárias ao longo da linha de transmissão. Quando o sinal fica distorcido, sua integridade fica comprometida, a qualidade do sinal se degrada e os dados no barramento podem ser corrompidos. Se não for dada atenção especial aos efeitos das linhas de transmissão, os circuitos de alta velocidade podem falhar completamente.

Para mitigar os efeitos das reflexões do sinal em circuitos de alta velocidade, devemos controlar as impedâncias que o sinal encontrará ao longo do 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 forma que as reflexões do sinal sejam mantidas no mínimo.

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

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 impactam 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 através do uso de uma calculadora de PCB que geralmente é externa à ferramenta de design de PCB.