Pérdida por inserción en PCB

¿Qué es la pérdida de inserción en placas de circuito impreso?

Placa de circuito cargada

"Pérdida de inserción" comúnmente denota la disminución de la intensidad de la señal que se produce cuando ésta atraviesa los componentes y el cableado a nivel de sistema, así como las trazas de las placas de circuitos impresos (PCB) dentro de los sistemas que funcionan a altas velocidades de 3GHz o más, incluidas las fibras ópticas y los apilamientos de PCB. 

A menudo sinónimo de "atenuación", la pérdida por inserción cuantifica el debilitamiento de una señal al transmitirse por un enlace óptico o una línea de transmisión. Este valor suele representarse en decibelios (dB).

La importancia de la pérdida de inserción en los PCB

La pérdida de inserción es especialmente importante a altas frecuencias, donde provoca atenuación y distorsión de la señal. La señal sufre una atenuación debida a la resistencia del conductor y a las fugas en el material laminar, mientras que la distorsión del pulso se produce cuando la pérdida afecta de forma desigual a los armónicos de la señal. 

Como la pérdida depende de la frecuencia, los armónicos más altos sufren una mayor atenuación. El efecto neto es que la señal que llega a la carga es una versión distorsionada de la original, que altera tanto la amplitud como la forma.

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Catalizadores de la pérdida de inserción en los PCB

Para los neófitos en sistemas de RF, el concepto de onda puede parecer algo abstracto. Sin embargo, sus principios de diseño se extienden a los empleados en diseños de PCB de baja frecuencia. La pérdida de inserción en PCB es principalmente el resultado de la variación de impedancia a lo largo de una interconexión. La medida de la pérdida de inserción cuantifica el grado de degradación de la señal en los puntos de discontinuidad de la impedancia.

  • Pérdidas de cobre: Las pérdidas de cobre se deben a la disipación de energía que se produce por la conducción a lo largo de las superficies de los conectores. Esto suele deberse a la calidad del chapado y a la elección del material de la placa de circuito impreso.
  • Pérdidas dieléctricas: Las pérdidas dieléctricas se deben a la disipación de energía dentro de los materiales dieléctricos del circuito impreso.
  • Pérdidas por reflexión: Las pérdidas por reflexión se producen debido a la relación de onda estacionaria de tensión (VSWR) del conector a lo largo de las líneas de transmisión. Se producen cuando la carga no puede absorber la potencia, lo que provoca una reflexión de la energía en la línea.

En las placas de circuito impreso del espectro de frecuencias bajas, de 3Ghz a 5Ghz, el principal responsable de la pérdida de señal es el desajuste de impedancias. Sin embargo, a medida que nos aventuramos en frecuencias mucho más altas -de 10Ghz a 30Ghz y más allá- la constante dieléctrica, determinada por los materiales utilizados, se convierte en el principal problema causante de la pérdida de inserción. Por lo tanto, la selección de los materiales del núcleo, el preimpregnado y la lámina de cobre es fundamental a la hora de construir el apilamiento de la placa de circuito impreso.

En los sistemas Wave, las vías suelen ser las más perturbadoras, ya que pueden introducir discontinuidades de impedancia en interconexiones de impedancia controlada. En los diseños de placas de circuito impreso multicapa se utilizan distintos tipos de vías: ciegas, enterradas o pasantes. Todas ellas incorporan elementos parásitos que provocan pérdidas de inserción a frecuencias más altas.

El examen de una traza de reflectometría en el dominio del tiempo de una interconexión de onda de un cupón de prueba puede revelar a veces una caída de impedancia capacitiva en las vías de orificio pasante chapadas para las transiciones de capa. Estas caídas de impedancia son problemáticas por dos motivos. En primer lugar, provocan reflexiones que pueden dar lugar a ondas estacionarias y a una fuerte radiación EMI. En segundo lugar, reducen el nivel de señal que puede llegar a la carga final, es decir, provocan pérdidas por inserción.

Optimización de las pérdidas por inserción en las placas de circuito impreso

Tener en cuenta la pérdida de inserción es fundamental a la hora de diseñar una placa de circuito impreso de alta velocidad adaptada a sus necesidades específicas. Reconocer las causas de la pérdida de señal permite seleccionar con precisión los materiales para el apilado, lo que influye en la estanqueidad del tejido de vidrio, la densidad de la resina y el grosor de la placa de circuito impreso. En resumen, tenga en cuenta lo siguiente al planificar el apilamiento de su placa de circuito impreso:

  • Elija opciones de cobre de perfil bajo, como el cobre ED de perfil muy bajo o el óxido alternativo, para minimizar el efecto piel y la rugosidad de la superficie.
  • Opte por tramas de fibra de vidrio más apretadas para mejorar las constantes dieléctricas o, alternativamente, incline las trazas de cobre sobre tramas más flojas para mantener la integridad de la señal.
  • Opte por materiales que proporcionen constantes dieléctricas bajas y manejen una amplia gama de señales sin problemas mediante respuestas de frecuencia planas.
  • Utilice los materiales con menor pérdida de propiedades dieléctricas y limite el alcance para limitar los factores de disipación.

Consideraciones diferentes: Pérdida de inserción frente a pérdida de retorno del conector

Los conectores no son más que uno de los muchos elementos de la línea de transmisión de la ruta de señal de un sistema multiplaca, situada entre el transmisor y el receptor. En los debates sobre interconexión, las vías suelen destacarse como perturbadores de impedancia inductiva. Se asemejan a inductores a altas frecuencias y pueden provocar reflexiones si no se diseñan correctamente. Pero los conectores se comportan de forma similar, actuando como líneas de transmisión en miniatura con su propia impedancia que puede afectar a la interacción de la señal.

A pesar del deseo de que los conectores sean perfectos, la realidad es que introducen pérdidas de retorno y de inserción. Estas pérdidas se deben a desajustes de impedancia, sobre todo por las almohadillas de montaje superficial de los conectores. Los conectores pasantes también contribuyen a la pérdida de inserción, ya que las patillas introducen discrepancias de impedancia inductiva y capacitiva.

Las almohadillas de los conectores SMD suelen aumentar la capacitancia por longitud cuando van acompañadas de cobre más ancho, lo que en consecuencia reduce la impedancia característica de la traza en la almohadilla del conector. Esta diferencia de impedancia capacitiva provoca la reflexión de la señal, lo que culmina en pérdidas de retorno del conector y pérdidas de inserción.

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