Introdução detalhada da Tecnologia FS ao desenho de PCBA de alta frequência

A exigência de transmissão de dados de alta velocidade e precisão faz com que os cabos de dados de alta-frequência se tornem a corrente dominante da época, tais como USB4, HDMI, Thunderbolt, e DisplayPort. A transmissão de sinal é realizada através da versão antiga do HDMI 2.1TMDS, que pode atingir até 18Gbps, e pode transmitir imagens de alta definição de 3840x2160p e resolução de 4K. Com a inovação da tecnologia PCBA de alta frequência, a largura de banda utilizando o mais recente modo FRL pode ser aumentada para 48 Gbps. Se utilizarmos a tecnologia de compressão nesta base, torna-se fácil transmitir imagens de 10K de resolução; e ao utilizar a nova versão USB4 pode acelerar até 40 Gbps. Independentemente do tipo de cablagem de alta-frequência, haverá ruído térmico PCB ou outros tipos de ruído PCB. Como resolver o ruído PCBA tornou-se o foco dos fabricantes ou designers. Aqui levanta-se a questão de qual o valor de frequência considerado de alta frequência? 400MHz, 10GHz, 5 GHz, ou 1Ghz.

Três linhas de dados de alta frequência

O conceito de linha de alta frequência

Reduzir os comprimentos de onda de reflexão de alta frequência

A definição de alta frequência pode ser julgada não só pela frequência, mas também pela ocorrência ou não de reflexão. Quando ondas electromagnéticas são transmitidas num meio (ar ou placa de circuito), as três situações seguintes ocorrerão:

  • Meio contínuo: não ocorre qualquer fenómeno de reflexão;
  • Meio descontínuo: se ocorrer reflexão, a frequência é considerada como uma frequência baixa neste meio;
  • Meio descontínuo: Se ocorrer reflexão, a frequência é considerada alta frequência neste meio.
 

Assim, podemos concluir que a Reflexão depende do comprimento de onda.

A velocidade de transmissão de ondas electromagnéticas no ar ou um vácuo é igual à velocidade da luz:

Fórmula de cálculo de corrente da placa de circuito de alta frequência

Enquanto que no caso de qualquer onda electromagnética de média velocidade é:

A taxa de transmissão de ondas electromagnéticas no PCB

Através da utilização desta expressão, podemos encontrar a taxa de transmissão electromagnética no caso de meios como a placa PCBA de alta frequência:

Fórmula de taxa de ondulação de onda electromagnética em PCB

Se relacionarmos a velocidade da onda com a equação da onda electromagnética quando esta passa por um meio. Como resultado, temos uma nova expressão: 

Fórmula de comprimento de onda de ondas electromagnéticas em PCB

Da equação acima, podemos concluir que se o comprimento de onda for maior do que o comprimento do caminho de transmissão, não haverá reflexão.

Assim, nos resultados para minimizar a reflexão, podemos aumentar o comprimento de onda do sinal electromagnético para maior do que o possível, normalmente 4 vezes o comprimento de traço é empregue. Uma conclusão que obtemos da fórmula acima é que ao baixar a frequência e a relativa permissividade da placa, o comprimento de onda também pode ser tornado mais longo. Mas na realidade, devido aos requisitos de transmissão, a taxa de transmissão de dados não é possível ser reduzida à vontade, e o meio do PCB não pode ser 1.

Há outra opção que encurta o comprimento do Trace, deixando que o seu comprimento seja inferior ao comprimento de onda transmitido. Mas a Tecnologia FS acredita que esta abordagem tem limitações. Quando a taxa de transmissão atinge uma certa altura ou a posição entre os componentes do PCBA de alta frequência é limitada, o comprimento de traço do PCBA de alta frequência precisa de ser aumentado em pelo menos 5 a 10 cm.

Rastros e Impedância de alta frequência

Quando estudamos os traços de alta frequência da placa PCB, levanta-se uma questão sobre a concepção da impedância do traço, mas não há nada expresso sobre isso nos dados acima. Acima discutimos que, em caso de ausência de reflexão, não há questões de impedância para o Trace, pelo que não há necessidade de desenho de impedância.

Tal como mencionado no parágrafo anterior, à medida que a procura de transmissão de alta frequência aumenta, o encurtamento cego do comprimento do traço é muito fraco. Para projectos que requerem taxas de transmissão ultra-elevadas, este método não pode de modo algum ser utilizado. Assim, o alongamento do Trace mostrará inevitavelmente uma reflexão. A teoria baseada nas ondas electromagnéticas diz que há outra técnica que existe, e que não tem reflexão: Impedância de Rastreio = impedância de carga = impedância interna.

Esta teoria está relacionada com a discussão que temos no início de que, se tivermos um meio contínuo, não haverá reflexão. De uma forma simples, o traço, a carga e a impedância interna são a mesma coisa.

Reflexão de sinal PCBA de alta frequência e erro de julgamento

Quer seja um fabricante de PCBA ou um cliente que compra serviços de PCBA, não queremos que apareçam reflexões. Reflexão denota a parte de energia que não é utilizada ou transmitida e volta à sua origem como um transmissor. O ponto principal que queremos expressar acima é que quando não há reflexão, não importa qual seja a frequência neste momento, o traço não terá problemas de impedância, ou seja, não precisamos de fazer qualquer desenho de impedância.

Mas, na realidade, o acontecimento que reflecte a energia é novamente reflectido a partir da fonte devido ao fenómeno da sobreposição de ondas. Se as ondas forem reflectidas duas vezes até aos pontos de recepção, serão sobrepostas com outro sinal que faz o sinal de erro. Vamos assumir que temos um sinal digital que é 1 no ponto de partida será zero no ponto de recepção e o sinal que foi zero será um sinal que resulta em erro de cálculo ou erro de julgamento do sinal.

Precauções para o fabrico de PCBA de alta frequência

Até agora, temos a ideia dos problemas causados pela reflexão, teremos de escolher a placa certa para fazer PCB de alta frequência. Normalmente são utilizados dois tipos de placas de PCB, Rogers e FR4.

A permissividade relativa é o ponto-chave que afecta a qualidade do sinal:

Permissividade relativa do PCB

Existe uma relação entre a frequência e a permissividade relativa e a variação da frequência também altera a frequência relativa abaixo da fórmula explica este factor:

A relação entre a mudança de frequência PCB e o coeficiente dieléctrico

E

Variação da Frequência PCB de Alta Frequência vs. Coeficiente Dieléctrico

Aqui podemos ver que a alteração da permissividade relativa de acordo com uma taxa de transmissão de frequência de onda electromagnética na placa e comprimento de onda também muda. É um fenómeno de dispersão dado pela teoria da onda electromagnética e este meio é conhecido como dispersão.

Visão detalhada dos problemas de dispersão de PCBA de alta frequência

O sinal digital é transmitido em ondas quadradas que ou são 0 ou 1. Se observarmos a frequência variável de uma onda quadrada, ela reflectir-se-á na formação de inúmeras ondas de pecado de diferentes frequências. Em palavras simples, é constituído por ondas fundamentais e 2 harmónicas ímpares sobrepostas.

A lei da onda quadrada da placa de circuito de alta frequência

Se três ondas de frequência diferentes forem passadas através de traços de PCB devido a diferentes permissões relativas, haverá uma diferença na taxa de transmissão. Num caso ideal, as 3 frequências têm a mesma velocidade, definimos o valor da velocidade para X, e como resultado, obteremos um sinal de onda quadrada completa no fim de recepção do sinal. Mas na realidade, isso não pode acontecer, as três frequências têm as suas próprias velocidades, rápidas ou lentas. Se aumentarmos cegamente o comprimento do traço, receberemos ondas electromagnéticas que são decompostas em três frequências diferentes em momentos diferentes.

Taxa de mudança de diferentes frequências em PCB de alta frequência

Um sinal elevado semelhante atinge em diferentes intervalos de tempo e amplitude, o que também reduz o erro de julgamento no ponto de recepção e resulta em erros de bits.

Ou, se houver múltiplos sinais de diferentes taxas no nosso equipamento, uma vez que o sinal de alta velocidade ultrapassará o sinal de baixa velocidade, isto fará com que o PCBA de alta frequência receba um sinal desordenado na extremidade receptora, tornando-nos impossível julgar a sua precisão.

Como discutimos anteriormente, embora tenhamos concebido a impedância de Trace (single-end 50 Ω ou diferencial 100 Ω), o traço pode mover-se por um tempo maior sem causar a reflexão, mas quando se encontra com o meio dispersivo, também restringe o comprimento do traço. Assim, para a concepção da impedância, podemos optar por tornar o traço o mais curto possível.

Comparação de Material de Alta Frequência: FR4 vs Rogers

Através da utilização da compreensão dos fenómenos de permissividade relativa e de dispersão faz-se agora uma comparação entre os materiais FR4 e Rogers. A figura abaixo dá a ideia da permissividade relativa de FR4 e Rogers com frequência.

Permittividade relativa versus frequência para FR4 e Rogers

Pela figura acima, podemos ver que ∈ r (f) de FR4 muda muito de acordo com a frequência, enquanto que não há qualquer custo para Rogers. Suponha-se que estamos a utilizar a gama de frequências de transmissão como PRBS31, pelo que a utilização do FR4 deve ter seriamente em conta as questões de dispersão. Para a redução das questões de dispersão, os vestígios devem ser tão pequenos quanto possível.

Pode pensar que a solução não é usar FR4, mas sim usar Rogers PCB e problemas resolvidos. É correcto, mas os preços dos Rogers são elevados, também deve considerar isto. A redução dos preços e como manter a qualidade do sinal para cumprir os requisitos de comunicação. Vêm sempre à mente engenheiros que fazem layouts para fazer o equilíbrio.

Finalmente, não discutimos o efeito do ∈ r (f) sobre a impedância dos vestígios. Basicamente, irá afectar, mas para evitar análises e explicações demasiado confusas, a questão da concepção da impedância é idealizada.

Análise da estrutura de guias de grandes ondas de três PCBAs de alta frequência

Na discussão acima referida, explicamos a relação entre a alta frequência e o PCB, como a selecção de material preciso e a comparação de preços. Agora vamos discutir o layout do design de alta frequência do PCB.

Quando pensámos em como conceber o Layout do PCB? A primeira pergunta que nos vem à mente é sobre a simulação. O uso de software de simulação é fácil e poupa tempo extra e é caro, mas como podemos formular parâmetros de simulação? Primeiro, é preciso ter uma ideia de como iniciar o desenho do layout. 

Antes de PCB de alta frequência fabrico de pranchas, o primeiro problema que enfrentamos é escolher uma estrutura de guia de onda adequada. As três estruturas de transmissão mais básicas são descritas abaixo:

  • Microstrip
  • Stripline
  • Guia de Ondas Coplanar

Diagrama comparativo da estrutura de guia de onda grande PCB

Microstrip

A arquitectura e o design são simples. Para alta frequência semelhante PCBA substratos, há muitos parâmetros que não podem ser variados devido à estrutura simples, tais como a espessura do substrato de largura de linha e a espessura da linha.

Com o aumento da frequência, há outra questão para a Microstrip que é o valor do ar acima do traço é ∈ eff = 1, e o substrato abaixo é ∈ eff ≠ 1, o padrão assimétrico será para um campo superior e inferior que resulta num padrão de campo de ondas electromagnéticas assimétrico. Este comportamento assimétrico afecta a qualidade da transmissão do sinal.

Stripline

A estrutura é complicada e ∈ eff do substrato superior e inferior pode estar próximo do substrato, portanto o padrão da onda electromagnética é completo. Além disso, os traços de alta frequência em stripline não mostram um efeito de crosstalk de longo alcance entre si.

Há problemas de atenuação do sinal e de reflexão que virão devido à redundância via segmento, uma vez que as camadas internas estão ligadas às partes externas através da utilização de vias. Para minimizar este problema, utilizar vias de retorno ou vias cegas, mas isto aumenta os custos. 

PCB de alta frequência melhorada

Guia de Ondas Coplanar

Para a criação de um guia de ondas, ambos os lados do traço são cobertos por um guarda de cobre como o Microstrip. Então a guia de onda coplanar Microstrip tem a capacidade de alterar mais parâmetros físicos, por exemplo a distância entre o traço e o solo e a distância entre a via e o traço existente no solo.

Um guia de onda coplanar é flanqueado através do GND que minimiza o efeito de crosstalk. Existe um estrangulamento no desenho, se houver alta frequência e traços de alta densidade utilizados em circuitos como o PCIe, a estrutura não terá espaço suficiente para aplicar terra de cobre em ambos os lados dos traços. 

Blogs PCBA mais recentes

Introdução de componentes SMD
Conhecimento PCB & PCBA
Wilson Smith

O que são componentes SMD?

O que são componentes SMD Os dispositivos electrónicos com componentes fixados ou montados directamente na superfície da placa de circuito impresso (PCB) são conhecidos como

Ler mais "
Guia de Espessura de Cobre PCB
Conhecimento PCB & PCBA
Wilson Smith

Directrizes sobre a espessura do cobre PCBA

Orientações sobre a espessura do cobre PCBA O empilhamento de PCBA estará provavelmente entre as últimas preocupações na sua mente, quer seja um desenhador de circuitos ou um engenheiro apenas

Ler mais "

O que é um PCBA rígido flexível

O que é uma placa Rigid Flex PCBA Rigid-flex é uma estrutura de circuito semi-rígido e semi-flexível para que os componentes do projecto possam ser ligados em ambas as partes. Rigid-flex

Ler mais "