I circuiti elettronici di ultima generazione presentano requisiti sempre più stringenti, come miniaturizzazione, utilizzo di segnali ad elevata frequenza, elevata densità dei componenti e funzionalità sempre più complesse. La progettazione del circuito stampato, che rappresenta l’elemento base di ogni circuito elettronico, si è così evoluta per gestire applicazioni sempre più complesse, con segnali la cui frequenza è in continuo aumento. In questo contesto assume un ruolo fondamentale il controllo di impedenza, un’operazione fondamentale per garantire l’integrità del segnale, ovvero la corretta propagazione del segnale senza subire distorsioni in ogni condizione operativa del circuito.
Con il crescere della frequenza, le tracce di un PCB si comportano come linee di trasmissione, con un preciso valore di impedenza in ogni punto della traccia. Se l’impedenza, anziché mantenersi costante, varia da un punto all’altro, si genera un fenomeno di riflessione del segnale. Il segnale riflesso, che viaggia in direzione opposta rispetto al segnale originale, è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza tra i valori di impedenza. Occorre quindi mantenere il più possibile costante il valore dell’impedenza, la quale a sua volta dipende dalla larghezza della traccia, dallo spessore della traccia, dalla costante dielettrica del materiale utilizzato per il substrato (Ɛr), dallo spessore del substrato e dalla disposizione delle tracce sul PCB. I valori comuni di impedenza sono compresi tra 25 e 120 Ω.
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Misura dell’impedenza
Per validare il progetto di un PCB, verificando a livello pratico il valore di impedenza assunto lungo le linee di trasmissione, si utilizza solitamente la tecnica di misura TDR (Time Domain Reflectometry). In teoria, quando un segnale percorre una linea di trasmissione, non si verifica alcuna riflessione verso la sorgente e tutta l’energia del segnale raggiunge la destinazione. Affinché ciò avvenga, è necessario che l’impedenza in ogni punto della linea di trasmissione e l’impedenza della linea di terminazione siano uguali all’impedenza di uscita della sorgente del segnale. Tuttavia, se l’impedenza non si mantiene costante, una parte del segnale verrà inevitabilmente riflessa. TDR è una tecnica che misura il profilo di impedenza di un dispositivo sotto test (DUT) e si basa sull’utilizzo di un generatore di impulsi e di un oscilloscopio (Figura 1). Un impulso molto rapido viene inviato al DUT: se esiste una discontinuità nell’impedenza, una porzione di questo impulso verrà riflessa verso l’oscilloscopio, utilizzato come sistema di monitoraggio. Il punto lungo la linea di trasmissione in cui si è verificata la discontinuità può poi essere determinato misurando il tempo impiegato dal segnale riflesso a tornare verso l’oscilloscopio, nota la velocità di propagazione del segnale lungo la linea di trasmissione. Infine, l’ampiezza della discontinuità (e quindi la differenza di impedenza) può essere determinata confrontando l’ampiezza dell’impulso riflesso con quella dell’impulso originale inviato al DUT. Poiché l’impulso trasmesso è a banda larga, la tecnica TDR fornisce delle informazioni utili sulle possibili variazioni di impedenza lungo un ampio spettro di frequenze.
Figura 1: esempio applicativo del TDR (Fonte: Agilent Technologies)
Regola 1 – Microstrip e stripline: quali parametri considerare?
Le tracce microstrip, utilizzate sui layer più esterni del PCB, offrono un’elevata impedenza caratteristica, la quale dipende dalla costante dielettrica e dallo spessore del materiale isolante, oltre che dall’ampiezza e dallo spessore della traccia. La costante dielettrica del materiale isolante dovrebbe essere determinata in base alla frequenza operativa del circuito. Inoltre, poiché la velocità di trasmissione del segnale diminuisce con l’aumentare della costante dielettrica, il suo valore deve essere mantenuto entro valori più bassi possibili nel caso si operi con segnali di alta frequenza (1 GHz o superiore). Dopo la costante dielettrica, gli altri parametri da considerare riguardano l’ampiezza e lo spessore delle tracce. Questi fattori influiscono enormemente sul valore dell’impedenza e dovrebbero quindi essere selezionati in fase di progettazione anche per soddisfare questo requisito, oltre a quelli di massima corrente e massima variazione di temperatura. Lo spessore del materiale isolante costituisce un altro elemento cruciale che contribuisce alla determinazione dell’impedenza caratteristica. In linea generale, un aumento di spessore del laminato di soli 0,025mm può comportare una variazione di impedenza compresa tra 5 e 8 Ω. Durante la fabbricazione del PCB è quindi possibile variare lo spessore del laminato in modo tale da ottenere, a parità di valore degli altri parametri, il valore di impedenza desiderato. Le microstrip sono un tipo di linea di trasmissione ampiamente utilizzato nei circuiti ad alta frequenza, come antenne, filtri, accoppiatori e divisori di potenza. Poiché anche una minima variazione della larghezza o spessore della traccia, della costante dielettrica o dello spessore del materiale isolante può condurre a una significativa variazione dell’impedenza, diventa fondamentale, sia in fase di progettazione, sia durante la fabbricazione, mantenere un controllo diretto di questi parametri al fine di garantire i valori di impedenza attesi.
Le stripline, inventate negli anni ‘50 da M. Barrett presso l’Air Force Cambridge Research Centre, rappresentano il primo tipo di linea di trasmissione planare. Una stripline, visibile a destra in Figura 2, è composta da una striscia planare di metallo racchiusa tra due piani di massa paralleli, mentre il materiale isolante del substrato forma un dielettrico. Ampiezza della striscia conduttiva, spessore del substrato e permettività elettrica relativa del materiale determinano l’impedenza caratteristica della stripline. Si noti come il conduttore centrale non debba necessariamente essere equidistante rispetto ai piani di massa e le caratteristiche del materiale dielettrico al di sopra e al di sotto della traccia conduttiva possano essere differenti.
I valori di impedenza, sia per le microstrip che per le stripline, possono essere calcolati con un buon margine di approssimazione utilizzando uno dei numerosi strumenti disponibili online, oppure applicazioni software dedicate che richiedono l’installazione sul proprio PC.
Figura 2: linee di trasmissione microstrip e stripline
Regola 2 – Selezionare i segnali
In generale, è buona regola che i progettisti di circuiti stampati indichino esplicitamente quali segnali richiedano un controllo dell’impedenza. In questa operazione è di fondamentale aiuto il datasheet dei componenti, il quale fornisce solitamente informazioni dettagliate su ogni classe di segnale e sui corrispondenti valori di impedenza. Molto spesso viene anche indicato su quale layer è più opportuno istradare i singoli segnali e quali regole di spaziatura tra le tracce occorre seguire. Esempi di segnali per cui è di fondamentale importanza seguire questa regola sono le linee clock o dati delle memorie DDR, i segnali audio e video (come ad esempio l’interfaccia HDMI), segnali gigabit Ethernet o segnali a radiofrequenza (RF).
È quindi importante che il progettista specifichi:
- quali segnali richiedono un controllo dell’impedenza;
- se i segnali appartengono a coppie differenziali (i cui valori tipici di impedenza sono 100Ω, 90Ω, oppure 85 Ω) oppure se sono segnali a terminazione singola (i cui valori tipici di impedenza sono 40Ω, 50Ω, 55Ω, 60Ω, oppure 75 Ω).
Regola 3 - Distanziare opportunamente le tracce
È di fondamentale importanza che le tracce con impedenza controllata siano opportunamente distanziate tra loro, come anche le altre tracce e i vari componenti disposti sul circuito stampato. Una regola pratica molto comune, ma anche efficace, è quella di utilizzare una spaziatura minima pari a “2W” (meglio ancora, una spaziatura “3W”), dove “W” rappresenta la larghezza della traccia sottoposta a controllo dell’impedenza.
Al fine di ridurre, o se possibile eliminare, i fenomeni di diafonia (crosstalk), la distanza tra le tracce dovrebbe anche in questo caso seguire la regola “3W” o “2W”. Si tenga presenta che questo fenomeno affligge soprattutto le linee di trasmissione microstrip, mentre le stripline (essendo racchiuse all’interno di materiale isolante) sono meno soggette a questo fenomeno.
Nel caso di segnali ad elevata frequenza, la distanza minima dovrebbe essere portata a “5W”, mantenendo una distanza minima pari a 30 mil da ogni altro tipo di segnale. Nel caso di segnali periodici (come ad esempio i clock), tale distanza dovrebbe essere innalzata, per aumentare il grado di isolamento, a 50 mil.
Regola 4 – Limitare l’utilizzo di via e condensatori di bypass
I componenti e i fori di via non dovrebbero essere mai posizionati tra coppie di segnali differenziali, anche nel caso in cui i segnali vengono instradati simmetricamente attorno ad essi. I componenti e i fori di via creano infatti delle discontinuità nel valore dell'impedenza, comportando possibili problemi di integrità del segnale.
Nel caso in cui sul PCB siano presenti coppie di segnali differenziali ad elevata velocità con condensatori di accoppiamento seriale, questi devono essere posizionati simmetricamente. Poiché i condensatori creano discontinuità nel valore dell’impedenza, posizionandoli simmetricamente si riduce l’entità della discontinuità del segnale.
Regola 5 – Bilanciare la lunghezza delle tracce
Nell’ipotesi che la velocità di propagazione del segnale si mantenga costante in tutte le tracce, il bilanciamento della lunghezza delle tracce consente di evitare che tra più segnali si crei un ritardo di propagazione. Ciò avviene tipicamente per gruppi di segnali che viaggiano insieme ad elevata velocità e ci si aspetta che raggiungano contemporaneamente (o entro un limite stretto di tolleranza) la propria destinazione. Un esempio di ciò è fornito dalle linee dati di una memoria DDR.
Lo stesso discorso vale per la lunghezza delle tracce appartenenti a una coppia di segnali differenziale. Qualora il bilanciamento della lunghezza non fosse eseguito, si andrebbe incontro a un ritardo inaccettabile tra i segnali positivi e quelli negativi. A livello pratico, per ottenere un allineamento della lunghezza si utilizzano diverse tecniche, tra cui la più comune è quella di inserire nelle tracce più corte delle serpentine in modo da compensarne la lunghezza rispetto alle altre (si osservi la Figura 3). La geometria delle tracce serpentine deve essere scelta con attenzione per ridurre la discontinuità di impedenza.
Figura 3: inserimento di serpentine nelle tracce più corte (Fonte: Altium)
