A cosa serve il controllo di impedenza?

Per i circuiti analogici o digitali ad alta frequenza, è fondamentale garantire l'integrità dei segnali che si propagano sul PCB. In effetti, i segnali al di sopra di 100 MHz sono influenzati dall’impedenza delle piste che, se non correttamente considerate, possono causare errori intempestivi e sono particolarmente difficili da analizzare. Fortunatamente, il controllo di impedenza permette al progettista e al fabbricante di PCB di gestire questo fenomeno.

Cos’è un'impedenza?

L'impedenza misura l’opposizione di un circuito elettrico quando è attraversato da una corrente alternativa. È la combinazione della capacitanza e dell’induzione di un circuito elettrico ad alta frequenza. L’impedenza si misura in Ohm, come la resistenza. Tuttavia, i due valori non devono essere confusi, poiché la resistenza è una caratteristica a corrente continua. Quando un segnale passa da un conduttore avente una certa impedenza a un altro avente un’impedenza identica, si trasmette in maniera ottimale. Tuttavia, se le impedenze sono diverse, si verificano riflessioni e attenuazioni che lo degradano.

Da cosa è determinata l'impedenza?

In generale, l’impedenza di una pista è compresa tra 25 e 125 Ohm e dipende dai seguenti fattori:

• Larghezza e spessore della pista di rame
• Passaggio del segnale mediante i fori di via
• Spessore dell’anima o del materiale pre-preg su ogni lato della pista
• Costante dielettrica dell’anima e del materiale pre-preg
• Distanza con il piano rame di riferimento
• Presenza o non di solder mask

Il progettista della scheda deve quindi assicurarsi che per i segnali ad alta frequenza, le sue scelte di tracciato e di stack-up permettono di ottenere un valore indicativo di impedenza con una certa tolleranza. Le applicazioni software più avanzate di CAD elettronico effettuano questi calcoli automaticamente.

Cos'è il controllo di impedenza?

Il controllo di impedenza consiste a misurare l'impedenza di alcune piste sin dalla fabbricazione del PCB e di assicurarsi che esse rientrino effettivamente nei limiti comunicati dal progettista. Questa tecnica, benché costosa, si è generalizzata dall'inizio degli anni 2000 con l’aumento continuo delle frequenze dei componenti elettronici. La si trova ad esempio nei seguenti prodotti:

• Telecomunicazioni analogiche e digitali
• Trattamento del segnale video
• Internet box, TV, GPS, videogiochi, fotocamera digitale
• Computer, tablet, telefoni cellulari
• Moduli di controllo motore

Qual è lo scopo del controllo di impedenza sui PCB?

Quando un segnale deve avere un’impedenza particolare per funzionare correttamente, dovrebbe essere privilegiata l’impedenza controllata. Nelle applicazioni ad alta frequenza, mantenere un’impedenza costante su tutta la scheda elettronica si rivela indispensabile per mantenere l’integrità dei dati trasferiti e la chiarezza del segnale Più la pista è lunga o la frequenza elevata, più l’adattamento è necessario. Una mancanza di rigore a questo livello può aumentare i tempi di commutazione di un apparecchio elettronico o di un circuito e provocare errori intempestivi.

Un'impedenza incontrollata è molto difficile da analizzare, una volta che i componenti sono stati montati sul circuito. I componenti dispongono di una capacità di tolleranza diversa in funzione dei lotti. Inoltre, le loro caratteristiche sono influenzate da variazioni di temperatura, che possono portare a malfunzionamenti. In tal caso, a prima vista, cambiare un componente può sembrare la soluzione, ma in realtà è l'impedenza inadatta delle piste che causa un problema.

Ecco perché l’impedenza delle piste e la loro tolleranza devono essere verificate al momento della concezione del PCB a monte. Il progettista deve lavorare in collaborazione con il fabbricante per assicurarsi della conformità dei valori dei componenti.