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Ogni circuito stampato che costruisci presenta una serie di problemi, alcuni dei quali sono invisibili. Uno dei più importanti è la capacità. Le tracce, i pad e i piani del tuo PCB possono funzionare in modo simile a minuscoli condensatori. Non è auspicabile includere questa capacità indesiderata nel tuo progetto. Il funzionamento della scheda è la ragione per cui esiste. Questo effetto, chiamato capacità parassita, è difficile da gestire per gli ingegneri. Quando si progetta un PCB, è essenziale sapere come ridurre al minimo la capacità parassita.
Questa capacità extra può causare grossi problemi. Può rallentare i segnali che attraversano le tracce. Può modificare la forma di un segnale, causando problemi con l'invio dei dati. E può far sì che un segnale in una traccia si propaghi in una traccia vicina, causando rumore e interferenze. Questa propagazione è nota come crosstalk. Questi problemi rendono molto difficile gestire la capacità in progettazione di circuiti stampati ad alta velocità. Questi piccoli effetti capacitivi diventano più rilevanti quanto più veloci sono i segnali.
Un manuale utile per ridurre la capacità delle tracce dei circuiti stampati
Che cos'è la capacità di traccia PCB?
Per poter ridurre la capacità, è necessario avere una conoscenza di base di questo concetto. Un condensatore è essenzialmente costituito da due conduttori elettrici separati da una sostanza isolante. Il termine "dielettrico" indica proprio questa sostanza isolante.
Questa identica configurazione è presente su tutto il PCB. Un conduttore è una traccia di rame. Un altro conduttore è un piano di massa vicino. L'isolante tra di essi è la scheda in fibra di vetro. Pertanto, la traccia e il piano di massa formano un minuscolo condensatore. Analogamente, due conduttori sono due tracce di rame adiacenti l'una all'altra. L'isolante tra di essi è il materiale della scheda e l'aria. Pertanto, anche queste due tracce formano un condensatore.
Questa è l'origine del termine capacità parassita (PCB). Poiché si nutre del tuo design e non ti offre nulla di valore, è un parassita. Che tu lo voglia o no, è sempre presente. Non può essere completamente eliminato. Tuttavia, ci sono alcune cose che puoi fare per ridurlo in modo significativo.
Possiamo esaminare la formula fondamentale della capacità di traccia PCB per imparare come ridurla. Ecco come si presenta la formula: C = (ε × A) / d. Analizziamola nei suoi componenti più elementari in relazione a un PCB.
C = (ε × A) / d
“C” sta per capacità. Desideriamo ridurre questo valore.
La costante dielettrica del materiale isolante è ‘ε’ (epsilon). Ogni materiale ha un valore unico. Alcuni materiali hanno una costante inferiore e sono isolanti migliori. Una capacità inferiore è correlata a una costante dielettrica inferiore.
L'area in cui i due conduttori si sovrappongono è indicata con “A”. Due tracce lunghe e larghe hanno un'ampia area di sovrapposizione se sono molto vicine l'una all'altra. La capacità aumenta con l'area.
La distanza tra i due conduttori è indicata con ‘d’. Si tratta dello spessore dell'isolante che li separa. La capacità diminuisce all'aumentare della distanza.
L'intera strategia di riduzione della capacità è fornita da questa semplice formula. Esistono tre modi per ridurre ‘C’. È possibile utilizzare un materiale con un ‘ε’ inferiore. È possibile ridurre le dimensioni dell'area di sovrapposizione ‘A’. In alternativa, è possibile aumentare la distanza ‘d’. Uno di questi tre obiettivi è l'obiettivo di ogni metodo praticabile per ridurre la capacità delle tracce. Una versione più sofisticata di questa formula è utilizzata dal calcolatore della capacità delle tracce PCB presente in molti strumenti di progettazione PCB per stimare la capacità nel layout.
Le decisioni progettuali cruciali che regolano la capacità
Il fattore che influenza maggiormente la capacità parassita è rappresentato dalle decisioni prese durante la fase di progettazione del PCB. La geometria e i materiali della scheda sono direttamente sotto il vostro controllo. Il primo passo per ottenere un progetto migliore è comprendere in che modo queste decisioni influiscono sulla capacità.
Il materiale dielettrico del PCB è il primo fattore da considerare. FR-4 è il materiale più utilizzato per i PCB. La maggior parte dei prodotti lo utilizza perché è economico e affidabile. Tuttavia, la costante dielettrica dell'FR-4 è relativamente alta. La capacità è influenzata in modo diretto e significativo dalla costante dielettrica del PCB. Cambiare il materiale della scheda è una delle opzioni migliori se il vostro progetto è altamente sensibile alla capacità. La costante dielettrica dei materiali ad alte prestazioni, come il Teflon o il Rogers, è significativamente più bassa.
Senza apportare altre modifiche al layout, è possibile ridurre drasticamente la capacità parassita passando dall'FR-4 a uno di questi materiali. A causa del suo costo elevato, questa opzione viene solitamente utilizzata solo in applicazioni ad alta frequenza in cui il costo è meno importante delle prestazioni.
Lo spessore del materiale dielettrico è un fattore secondario.
Il secondo fattore da considerare è lo spessore del materiale dielettrico. Questo ha a che fare con la “d” della nostra formula, che sta per distanza. Quando si parla della capacità di una traccia, spesso ci si riferisce alla sua capacità rispetto a un piano di riferimento sottostante, come ad esempio un piano di massa.
Lo spessore del materiale preimpregnato o dell'anima nel tuo Stratificazione PCB è la distanza tra quel piano di massa e la traccia del segnale. La distanza ‘d’ aumenta quando si utilizza un materiale più spesso. Una capacità inferiore è indicata da un valore ‘d’ maggiore. Lo spessore di questi strati isolanti può essere scelto durante la progettazione della struttura a strati della scheda. Un metodo semplice per ridurre la capacità dei segnali ad alta velocità consiste nel selezionare uno strato dielettrico più spesso tra lo strato del segnale e il suo piano di riferimento.
Il terzo elemento è la geometria della traccia di rame.
Il terzo aspetto del design che viene modificato più frequentemente è la geometria delle tracce in rame. Lo spessore, la larghezza e la spaziatura influiscono tutti sulle prestazioni. Molti progettisti fraintendono il rapporto tra la capacità e la larghezza delle tracce del PCB. Tracce più larghe aumentano la superficie, il che aumenta l'area “A” nell'equazione e aumenta la capacità rispetto al piano di massa. Se si desidera ridurre la capacità tra la traccia e il piano di massa, utilizzare una traccia più stretta. Tuttavia, tracce più strette aumentano la resistenza e limitano il trasferimento di potenza. È necessario valutare attentamente questi compromessi durante la progettazione.
Per ridurre al minimo il crosstalk, i progettisti di PCB aumentano semplicemente la distanza tra le tracce. Secondo la “regola delle 3W”, due tracce devono essere separate da una distanza pari ad almeno tre volte la larghezza di una traccia. L'elemento geometrico più importante che i progettisti possono controllare è la spaziatura. Essa indica la “d” che separa due conduttori vicini sullo stesso strato. La capacità tra due tracce aumenta con la loro vicinanza.
Potrebbe essere necessario ancora più spazio per i segnali estremamente sensibili o veloci. Il metodo più semplice ed efficiente per ridurre la capacità tra le tracce è spesso quello di aumentare la distanza tra le tracce.
Metodi di layout utili per la progettazione di bassa capacità
Le conoscenze teoriche sono utili, ma occorrono anche tecniche software di layout efficaci. Queste tecniche di layout sono tra le migliori per ridurre la capacità indesiderata.
La prima strategia consiste nel ridurre al minimo la lunghezza delle tracce. Poiché una traccia più corta copre un'area minore, la capacità rispetto alle strutture adiacenti diminuisce e l'area “A” nella formula si riduce. È possibile garantire tracce corte posizionando correttamente i componenti. Posizionare parti simili una accanto all'altra. Posizionare un microprocessore e la sua memoria uno accanto all'altro, ad esempio, in modo che le tracce di collegamento siano il più corte possibile. Tracce lunghe e tortuose aumentano la possibilità di capacità parassita e compromettono l'integrità del segnale.
La seconda strategia consiste nel ridurre il tempo in cui le tracce corrono parallele l'una all'altra. L'effetto di un condensatore lungo si ottiene facendo correre due tracce insieme su una lunga distanza. Più a lungo corrono insieme, maggiore è la capacità tra di esse. Questa è una delle cause principali del crosstalk. Il modo migliore per ovviare a questo problema è quello di mantenere le corse parallele il più brevi possibile. Un bus dati e un bus indirizzi sono due esempi di segnali che dovrebbero essere instradati in modo da evitare lunghe distanze in parallelo. Se è necessario instradarli sullo stesso livello, utilizzare tutto lo spazio consentito dal progetto tra di essi.
I progettisti possono controllare efficacemente la capacità instradando i segnali vicini su livelli separati. Spesso costruiscono circuiti ad alta velocità utilizzando l'instradamento ortogonale. Ogni traccia sul primo livello di questo metodo scorre orizzontalmente, mentre ogni traccia sul livello di segnale successivo scorre verticalmente. Solo ad angolo retto le tracce su livelli diversi si incrociano. Questa configurazione riduce la capacità delle tracce PCB e l'area di sovrapposizione tra i livelli. Inoltre, offre ai progettisti un controllo più affidabile sui segnali su un bus dati trafficato.
Il terzo metodo consiste nell'utilizzare una traccia di guardia. Layout PCB. Si tratta di un metodo molto efficace per proteggere un segnale di clock ad alta velocità o un segnale analogico sensibile. Una traccia di protezione è una traccia in rame che viene posizionata accanto alla traccia del segnale sensibile. Tuttavia, questa traccia di protezione è solitamente collegata a terra con alcuni via lungo la sua lunghezza. Funziona come uno schermo, catturando le linee del campo elettrico provenienti dalla traccia del segnale.
Quando le linee del campo elettrico emanano dalla traccia del segnale, la traccia di protezione le intercetta e le convoglia in modo sicuro verso terra. Ciò impedisce che il crosstalk raggiunga un segnale adiacente. Questa tecnica offre una protezione robusta dalle interferenze, isolando al contempo i segnali importanti dall'ambiente circostante. Se posizionata accanto a segnali digitali veloci, è particolarmente efficace nell'impedire che il rumore raggiunga i segnali analogici sensibili e di basso livello.
Controlli finali e impedenza controllata
Nei progetti ad altissima velocità, l'obiettivo passa dalla riduzione della capacità al suo controllo. In questa fase, il dibattito tra impedenza controllata e capacità diventa fondamentale. I progettisti impostano le tracce su valori di impedenza specifici, come 50 o 90 ohm, per segnali come USB, Ethernet o memoria DDR. L'impedenza combina resistenza, capacità e induttanza, e ogni fattore richiede un'attenta gestione.
Per ottenere l'impedenza corretta, è necessario regolare con precisione lo spessore dielettrico, la costante dielettrica e la larghezza della traccia. Ridurre la capacità da sola non funziona. È invece necessario progettare un valore di capacità specifico che, insieme alle altre variabili, produca l'impedenza desiderata.
In questi progetti, la capacità non ha solo un effetto parassitario, ma diventa essenziale per il funzionamento del circuito. È possibile determinare la geometria esatta necessaria per soddisfare il target di impedenza utilizzando uno strumento di risoluzione del campo o un Calcolatore della capacità delle tracce PCB. L'obiettivo passa dal ridurre al minimo la capacità al controllarla con precisione.
Il controllo della capacità parassita dei PCB è uno degli aspetti più importanti della progettazione elettronica moderna. Non può essere considerato un aspetto secondario alla fine del progetto. Deve essere integrato nel piano fin dall'inizio, a partire dal posizionamento dei componenti e dalla progettazione dello stack-up dei livelli. Seguendo questi principi, è possibile creare progetti affidabili ed efficienti.
In conclusione
Non occorre alcuna magia per ridurre la capacità delle tracce PCB. È sufficiente una solida comprensione dei concetti fondamentali. Gli approcci più semplici sono spesso quelli più efficaci. Allontana le tracce l'una dall'altra. Evita lunghi tratti paralleli e mantieni le tracce brevi. Tra il piano di massa e lo strato di segnale, utilizza un dielettrico più spesso.
Inoltre, utilizzare una traccia di protezione con messa a terra per proteggere i segnali estremamente sensibili. La scelta di un materiale PCB di qualità superiore con una costante dielettrica inferiore è una scelta efficace per le applicazioni più esigenti. Concentrandosi su questi concetti fondamentali, è possibile creare dispositivi elettronici affidabili e ad alte prestazioni e navigare con successo nel regno nascosto della capacità parassita.
