Perda de inserção de PCB

O que é a perda de inserção de PCB?

Placa de circuito carregada

"Perda de inserção" denota normalmente a diminuição da intensidade do sinal que ocorre à medida que o sinal atravessa os componentes e a cablagem ao nível do sistema, bem como os traços nas placas de circuitos impressos (PCB) nos sistemas que funcionam a altas velocidades de 3GHz ou mais, incluindo fibras ópticas e empilhamentos de PCB. 

Muitas vezes sinónimo de "atenuação", a perda de inserção quantifica o enfraquecimento de um sinal à medida que este é transmitido através de uma ligação ótica ou de uma linha de transmissão. Este valor é geralmente representado em decibéis (dB).

O significado da perda de inserção em PCBs

A perda de inserção é particularmente importante em altas frequências, onde leva à atenuação e distorção do sinal. O sinal sofre atenuação devido à resistência do condutor e às fugas no material laminado, enquanto a distorção de impulsos ocorre quando a perda afecta os harmónicos do sinal de forma desigual. 

Uma vez que a perda depende da frequência, os harmónicos mais elevados enfrentam uma maior atenuação. O efeito líquido é que o sinal que chega à carga é uma versão distorcida do original, alterando tanto a amplitude como a forma.

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Catalisadores de perda de inserção em PCBs

Para quem é novo nos sistemas de RF, o conceito de Onda pode parecer algo abstrato. No entanto, os seus princípios de conceção alargam os princípios utilizados nas concepções de PCB de baixa frequência. A perda de inserção de PCB é principalmente o resultado da variação da impedância ao longo de uma interligação. A medida da perda de inserção quantifica o grau de degradação do sinal em pontos de descontinuidade de impedância.

  • Perdas de cobre: As perdas de cobre resultam da dissipação de energia que ocorre devido à condução ao longo das superfícies dos conectores. Este é normalmente um problema com a qualidade do revestimento e a escolha do material na placa de circuito impresso.
  • Perdas dieléctricas: As perdas dieléctricas são devidas à dissipação de energia nos materiais dieléctricos da placa de circuito impresso.
  • Perdas por reflexão: As perdas por reflexão ocorrem devido ao rácio tensão-onda estacionária (VSWR) do conetor ao longo das linhas de transmissão. Ocorrem quando a carga não consegue absorver a potência, levando a uma reflexão da energia de volta para a linha.

Para PCBs no espetro de frequência mais baixo, de 3Ghz a 5Ghz, a incompatibilidade de impedância é a principal culpada pela perda de sinal. No entanto, à medida que nos aventuramos em frequências muito mais elevadas - de 10 GHz a 30 GHz e mais além - a constante dieléctrica, determinada pelos materiais utilizados, torna-se o principal problema que causa a perda de inserção. Por conseguinte, a seleção dos materiais do núcleo, do pré-impregnado e da folha de cobre é fundamental na construção do empilhamento da placa de circuito impresso.

Nos sistemas Wave, as vias criam frequentemente a maior perturbação, uma vez que podem introduzir descontinuidades de impedância em interligações controladas por impedância. São utilizados vários tipos de vias - cegas, enterradas ou através de orifícios - para transições de camadas em projectos de PCB multicamadas. Todos eles vêm com elementos parasitas que induzem perda de inserção em frequências mais altas.

O exame de um traço de reflectometria no domínio do tempo de uma interligação Wave a partir de um cupão de teste pode, por vezes, revelar uma queda de impedância capacitiva nas vias de passagem de orifícios revestidos para transições de camadas. Estas quedas de impedância são problemáticas por duas razões. Primeiro, causam reflexões que podem levar a ondas estacionárias e forte EMI irradiada. Em segundo lugar, reduzem o nível de sinal que pode atingir a carga final, ou seja, causam perda de inserção.

Otimização da perda de inserção em PCBs

A perda de inserção é fundamental na conceção de uma PCB de alta velocidade adequada às suas necessidades específicas. Reconhecer a raiz dos problemas por detrás da perda de sinal permite uma seleção precisa dos materiais para o empilhamento, influenciando a estanquicidade do vidro, a densidade da resina e a espessura da PCB. Resumindo, considere o seguinte ao planear o empilhamento da sua PCB:

  • Escolha opções de cobre de baixo perfil, como o cobre ED de perfil muito baixo ou óxido alternativo, para minimizar o efeito de pele e a rugosidade da superfície.
  • Opte por tramas de fibra de vidro mais apertadas para obter constantes dieléctricas melhoradas ou, em alternativa, coloque os traços de cobre em ângulo sobre tramas mais soltas para manter a integridade do sinal.
  • Opte por materiais que forneçam constantes dieléctricas baixas e que lidem suavemente com uma vasta gama de sinais através de respostas de frequência planas.
  • Utilizar os materiais com menor perda de propriedades dieléctricas e limitar o alcance para limitar os factores de dissipação.

Considerações diferentes: Perda de inserção vs. perda de retorno do conetor

Os conectores representam apenas um dos muitos elementos de uma linha de transmissão de um caminho de sinal de um sistema multi-placas, situando-se entre o transmissor e o recetor. Nas discussões sobre interligações, as vias são frequentemente destacadas como perturbadores da impedância indutiva. Assemelham-se a indutores a altas frequências e podem causar reflexões se não forem corretamente concebidas. Mas os conectores comportam-se de forma semelhante, actuando como linhas de transmissão em miniatura com a sua própria impedância que pode afetar a interação do sinal.

Apesar do desejo de ter conectores sem falhas, a realidade é que eles introduzem perdas de retorno e de inserção. Esta perda resulta de um desfasamento de impedância, principalmente devido a almofadas de montagem em superfície nos conectores. Os conectores de passagem também contribuem para a perda de inserção, com os pinos a introduzirem discrepâncias de impedância indutiva e capacitiva.

As almofadas dos conectores SMD aumentam frequentemente a capacitância por comprimento quando acompanhadas por cobre mais largo, o que consequentemente reduz a impedância caraterística do traço na almofada do conetor. Esta diferença de impedância capacitiva provoca a reflexão do sinal, culminando na perda de retorno do conetor e na perda de inserção.

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