Guía para pincipiantes sobre el control de impedancia en PCBs

Cuando una señal digital se transmite de un punto a otro, se produce un cambio en el estado de la línea de señal. Este cambio puede entenderse como una onda electromagnética que se desplaza a través del circuito. Se produce lo que se conoce como "reflexión" cuando dicha onda encuentra un límite entre diferentes medios. En este límite, parte de la energía de la onda continúa propagándose como señal, mientras que el resto se refleja. Este proceso se repite hasta que la energía es absorbida por el circuito o se disipa en el entorno.

Para los ingenieros electrónicos, este límite generalmente está definido por un cambio en la impedancia eléctrica. En el diseño de PCBs, las reflexiones se producen cuando una señal encuentra una discontinuidad de impedancia a lo largo de una pista. Este desajuste provoca que parte de la señal se refleje de vuelta hacia su fuente, lo que puede generar problemas de integridad de señal, como distorsión, ruido y errores de datos, especialmente en circuitos digitales de alta velocidad o de radiofrecuencia (RF).

Impedancia de un circuito:

En los circuitos que incluyen resistencias, inductancias y capacitores, la impedancia es la resistencia total equivalente que se opone al flujo de corriente. Está compuesta por elementos resistivos y reactivos. Las resistencias disipan energía del circuito en forma de calor, la energía recuperable en un circuito se almacena en los campos electromagnéticos que atraviesan y rodean a los conductores, inductores y capacitores.

La impedancia se representa comúnmente con el símbolo “Z”, se mide en ohmios (Ω). Es un número complejo, cuya parte real se conoce como resistencia (R) y la parte imaginaria como reactancia (X). En circuitos de corriente alterna (CA), la impedancia es el resultado combinado de la resistencia, la inductancia y la capacitancia. La impedancia de un circuito específico no es constante, su valor se determina por la frecuencia de la señal de CA, la resistencia, la inductancia y la capacitancia, por lo que varía en función de los cambios de frecuencia.

¿Qué es la adaptación de impedancia (Impedance Matching)?

La Impedance Matching es un método utilizado para asegurar la compatibilidad entre una fuente de señal o línea de transmisión y su carga. Puede clasificarse en adaptación de baja frecuencia y de alta frecuencia.

En los circuitos de baja frecuencia, donde la longitud de onda es relativamente larga en comparación con la línea de transmisión, las reflexiones pueden considerarse insignificantes. Sin embargo, en los circuitos de alta frecuencia, donde la longitud de onda es comparable a la longitud de la línea, las señales reflejadas pueden superponerse a la señal original, distorsionando su forma y afectando la calidad de la señal.

Reflexiones de señal:

El comportamiento de los circuitos a altas frecuencias cambia debido a efectos parásitos, como la capacitancia de borde (fringe capacitance) y la inductancia. Las pistas de señal en una PCB también actúan como líneas de transmisión y cada punto a lo largo de ellas presenta una impedancia determinada.

Como consecuencia, la señal original puede sufrir distorsiones, y lo que se transmitió desde el extremo emisor puede no ser lo mismo cuando llega al extremo receptor. Por lo tanto, para lograr una transmisión de señal sin distorsiones, las pistas de señal en la PCB deben mantener una impedancia constante y controlada.

Líneas de impedancia comúnmente utilizadas en el diseño de PCBs:

La adaptación de impedancia permite reducir o eliminar eficazmente las reflexiones de señales de alta frecuencia. Las líneas de impedancia más comúnmente utilizadas se pueden clasificar en las siguientes cuatro categorías:

1. Línea de impedancia de extremo único:

Esta línea se refiere a la impedancia de una sola pista en una PCB, y generalmente se clasifica en dos tipos principales:

• Línea Microstrip: Es una pista de señal ubicada en la capa externa de la PCB, con un plano de tierra directamente debajo en una capa interna. La impedancia se controla mediante el ancho de la pista, el grosor del dieléctrico (material aislante) entre la pista y el plano de tierra, y la constante dieléctrica del material.

• Línea Stripline: Es una pista de señal encerrada entre dos planos de tierra, típicamente ubicada en las capas internas de la PCB. La impedancia está determinada por el ancho de la pista, el grosor del dieléctrico superior e inferior, así como la constante dieléctrica del material.

2. Línea de impedancia de par diferencial:

Consiste en dos pistas paralelas que transportan señales iguales y opuestas, comúnmente utilizadas en la transmisión de datos a alta velocidad. La impedancia se controla mediante el ancho de las pistas, el espacio entre ellas y las propiedades dieléctricas del material. Posee una impedancia normalizada de 90 a 110 ohmios.

3. Línea de impedancia coplanar de extremo único / par diferencial:

Es una pista de señal ubicada en una capa externa de la PCB y flanqueada por planos de tierra a ambos lados de la pista, generalmente en la misma capa. La impedancia está determinada por el ancho de la pista, la distancia entre la pista y los planos de tierra adyacentes, el grosor del dieléctrico debajo de la pista y la constante dieléctrica del material. La impedancia normalizada es de 50 ohmios para la señal de extremo único y de 90 a 100 ohmios para el par diferencial.

Consideraciones de diseño de PCB para Impedance Matching

Cálculo y medición de la impedancia de una pista en la PCB:

Para los pedidos que requieren control de impedancia, es esencial proporcionar los requisitos de impedancia en forma de tabla o diagrama, junto con los archivos comprimidos de la PCB.

El valor general de la impedancia de las pistas se indica en la figura inferior, incluyendo el ancho de la pista, el espacio (gap) y la información de la capa correspondiente.

Uso del calculador de impedancia de JLCPCB:

JLCPCB ofrece una herramienta gratuita llamada Calculadora de Impedancia, que facilita el diseño de pistas con impedancia controlada. Para utilizarla: Acceda al “Calculador de Impedancia” de JLCPCB, luego introduzca los valores de impedancia y seleccione el apilamiento correspondiente (layer stack-up) y otros parámetros relevantes como el grosor de la placa. Además, diseñe el ancho de línea y el espaciado correspondientes en los datos de ingeniería.

Nota importante del fabricante:

Para los pedidos en los que se haya seleccionado “Control de Impedancia” como “Sí”, nuestra fábrica controlará la impedancia dentro de una tolerancia de ±10%. Si selecciona “No”, no se realizará control de impedancia, pero el ancho de línea y el espaciado se mantendrán dentro de una tolerancia de ±20%. Actualmente, el control de impedancia no está disponible para placas de doble cara.

Conclusión:

La adaptación de impedancia es un aspecto fundamental en el diseño de PCBs de alta velocidad, ya que garantiza una transmisión óptima de señales y preserva la integridad de las mismas. Al prestar especial atención a los valores de impedancia, el ancho de las pistas, los espacios entre trazas, las propiedades dieléctricas del material y las capas de referencia, los diseñadores pueden minimizar eficazmente las reflexiones y distorsiones de señal.

La implementación de líneas con control de impedancia, junto con el uso de herramientas especializadas como el Calculador de Impedancia de JLCPCB puede agilizar el proceso de diseño y ayudar a alcanzar con precisión los valores de impedancia deseados. Gracias a técnicas adecuadas de adaptación de impedancia, es posible mejorar tanto el rendimiento como la fiabilidad de las PCBs de alta velocidad, permitiendo una transmisión fluida de señales electrónicas en los sistemas electrónicos modernos.