Negli ultimi anni, la progettazione dei PCB è diventata un’operazione sempre più impegnativa, legata soprattutto, in molti casi, alla presenza combinata di segnali digitali, segnali misti e segnali a radiofrequenza (RF). In generale, un circuito stampato può essere considerato di tipo RF quando la frequenza dei segnali in gioco è superiore ad almeno 100 MHz. Il layout e il routing di un PCB RF richiedono alcune considerazioni particolari e un approccio differente rispetto a quello utilizzato per un PCB a bassa frequenza. Con l’aumentare della frequenza, la lunghezza d’onda del segnale RF diventa paragonabile alle dimensioni geometriche delle tracce; di conseguenza, occorre considerare l’intero circuito come un sistema a parametri distribuiti, considerando sia l’ampiezza che lo spostamento di fase subito dal segnale lungo la linea di trasmissione al fine di evitare possibili riflessioni del segnale. Fenomeni come effetto pelle (determinato dalle imperfezioni e rugosità presenti sulle tracce di rame), accoppiamento capacitivo tra segnali che percorrono tracce adiacenti, interferenze elettromagnetiche e controllo dell’impedenza sono solo alcune tra le principali sfide che il progettista elettronico deve affrontare.
Un primo aspetto da tenere in debita considerazione durante il routing di un segnale RF riguarda l’adattamento di impedenza. Un circuito privo di adattamento di impedenza, infatti, genera non soltanto delle perdite di potenza significative, ma anche dei pericolosi fenomeni di riflessione del segnale lungo le tracce del PCB. Il teorema del massimo trasferimento di potenza sostiene che la potenza trasferita è massima quando la resistenza del carico eguaglia la resistenza interna della sorgente. Esteso al dominio delle correnti alternate, il teorema afferma che l’impedenza del carico deve essere il complesso coniugato dell’impedenza della sorgente. Per massimizzare il trasferimento di potenza è pertanto fondamentale considerare l’adattamento di impedenza. Poiché la maggior parte dei sistemi e dei moduli RF ha un’impedenza di 50 Ω, è preferibile che le tracce di un PCB RF abbiano un’impedenza caratteristica di 50 Ω. I due tipi di traccia comunemente utilizzati sui PCB sono le microstrip, in cui le tracce RF sono collocate sui layer esterni del PCB (normalmente al di sopra di un piano di massa) e le stripline, in cui la traccia RF è inserita tra due piani di massa. In Figura 1 sono visibili i due tipi di tracce: fissata l’impedenza Z a 50 Ω, è possibile calcolare la larghezza W della traccia come funzione dello spessore T e della distanza H tra traccia e piano di massa, utilizzando le formule contenute nello standard IPC2141A.
Figura 1: Tracce microstrip e stripline.
Come regola generale, possiamo affermare che la larghezza di una traccia diventa rilevante quando la sua lunghezza è maggiore di un decimo della lunghezza d’onda del segnale che la attraversa. Ad esempio, alla frequenza f = 1 GHz corrisponde una lunghezza d’onda λ = c / f = 30 cm (dove c è la velocità della luce nel vuoto) e la lunghezza critica della traccia è perciò pari a circa 3 cm. Sul PCB, tuttavia, la velocità di propagazione del segnale è inferiore alla velocità della luce; in particolare, si riduce con il quadrato della costante dielettrica relativa del materiale, che nel caso dell’FR-4 è pari a circa 4,3. La lunghezza critica a 1 GHz diventa perciò pari a circa 16 mm: ogni traccia (o meglio, linea di trasmissione) con lunghezza superiore a tale valore deve avere una larghezza opportunamente dimensionata. Le linee di trasmissione dovrebbero essere mantenute rettilinee il più a lungo possibile. Quando, per esigenze di routing, occorre cambiare direzione, è consigliabile utilizzare un raggio di curvatura pari ad almeno tre volte l’ampiezza della traccia, come visibile nell’immagine a sinistra di Figura 2. Così facendo, si minimizza la variazione dell’impedenza caratteristica lungo tutta la curvatura. Ove non fosse possibile eseguire una curva, il routing dovrebbe applicare un angolo retto smussato, come indicato nell’immagine a destra di Figura 2.
Figura 2: Routing di linee curve.
Quando, per esigenze di layout, una linea di trasmissione deve occupare più layer, è necessario inserire dei fori di via, utilizzando almeno due fori per ogni transizione per ridurre al minimo l’induttanza di carico. Molto importante è anche la corretta selezione della dimensione dei componenti SMD, disponibili sul mercato con un’ampia selezione di formati. Relativamente ai componenti SMD passivi (resistenze e condensatori), una regola comunemente utilizzata è quella di selezionare dei componenti la cui larghezza è paragonabile a quella di una traccia con impedenza di 50 Ω, riducendo così i problemi di adattamento dell’impedenza tra la traccia e le piazzole del componente.
Un altro fattore importante che influenza il routing è la scelta dello stack-up, ovvero del numero e tipo di layer che compongono il circuito stampato. I PCB RF sono normalmente composti da 2 o 4 layer, ma in alcuni casi possono arrivare a 8 layer. I PCB con 2 layer hanno i componenti e le tracce sul layer superiore, mentre il layer inferiore è utilizzato come piano di terra che fornisce il più breve cammino per le correnti di ritorno a massa. Un PCB doppia faccia rappresenta una soluzione molto economica, ma richiede un routing e una disposizione dei componenti particolarmente accurate, dato il limitato spazio a disposizione. Lo spessore di un PCB a doppio layer è in genere compreso tra 0,8 e 1 mm, poiché spessori maggiori comporterebbero (in base a quanto detto precedentemente sull’impedenza) un’eccessiva larghezza delle tracce. Un PCB a 4 layer facilita enormemente il routing, con maggiore spazio a disposizione per i componenti e la possibilità di realizzare sia piani di massa che di potenza. Lo stack-up consigliato è visibile in Figura 3. Si noti come in una struttura di questo tipo, un piano di massa debba sempre essere presente al di sotto del layer superiore, contenente i componenti e le tracce. Un PCB a 4 layer, grazie al suo spessore maggiore, conferisce inoltre una maggiore robustezza e resistenza meccanica al circuito.
Figura 3: Stack-up di un PCB a 4 layer.
Utilizzando il layout di Figura 3, occorre anzitutto garantire che i segnali RF siano opportunamente isolati, evitando accoppiamenti indesiderati con altri segnali. Ciò riguarda soprattutto le linee di trasmissione a radiofrequenza (ad esempio, le linee Rx e Tx di un transceiver wireless), i segnali di alta frequenza (ad esempio, segnali di clock o PLL) e le linee di alimentazione. È inoltre necessario inserire dei condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile a ogni pin o punto di distribuzione della tensione di alimentazione VCC. La loro funzione è quella di fornire un cammino a bassa impedenza per il rumore di alta frequenza. La capacità di questi condensatori deve essere scelta in funzione della frequenza dei segnali RF che percorrono il circuito, tenendo presente che è importante conoscere anche il parametro SRF (frequenza di autorisonanza) del condensatore, in quanto al di sopra di tale valore esso si comporta come un induttore e pertanto non può più eseguire la funzione di disaccoppiamento, o bypass.
Come visibile in Figura 3, la pratica comune è quella di utilizzare un piano di massa continuo (senza interruzioni), posto immediatamente al di sotto del layer superiore, contenente i componenti e le linee di trasmissione. I segnali RF, caratterizzati da fronti di salita molto ripidi, richiedono un piano di massa posto nelle immediate vicinanze, in grado di trasportare la corrente di ritorno. Se ciò non avviene, si possono creare dei loop di corrente con irradiamento indesiderato di segnale e conseguente distorsione del segnale RF. Anche una minima interruzione nel piano di massa fa sì che il segnale di ritorno possa prendere un percorso diverso, causando problemi significativi al segnale. Proprio per questo motivo si utilizzano le tracce microstrip, la cui larghezza e distanza dal piano di massa possono essere controllate per ottenere un valore preciso di impedenza e ridurre al minimo le riflessioni del segnale. Un piano di massa continuo permette inoltre, tramite appositi fori di via, un facile collegamento verso massa delle piazzole. Come regola generale, la distanza tra due fori di via collegati con il piano di massa non dovrebbe superare un decimo della lunghezza d’onda della massima frequenza presente nel circuito. Se ad esempio la massima frequenza è pari a 2,4 GHz, i fori di via dovrebbero essere distanziati di 6 mm. È anche importante posizionare tali fori di via intorno ai bordi del PCB, riducendo così le perdite RF attraverso il laminato del PCB.
Il piano di massa svolge inoltre una importante funzione secondaria, che è quella di fornire un efficace mezzo per la dissipazione del calore. A questo proposito, occorre anche in questo caso inserire un appropriato numero di fori di via, possibilmente passanti in modo da attraversare tutti i layer del PCB e rivestiti internamente di pasta termica conduttiva per migliorare la gestione termica.