En lo que respecta a la electrónica, «cuanto más pequeño, mejor» es una frase habitual que los ingenieros suelen repetir. Los ingenieros han logrado implementar componentes más pequeños mediante el uso de PCB de alta frecuencia, lo que permite fabricar dispositivos más pequeños.
¿Qué es una PCB de alta frecuencia?
Una PCB de alta frecuencia es una placa de circuito impreso diseñada para funcionar a altas frecuencias. Estas placas suelen estar fabricadas con materiales especiales y tienen características de diseño especiales para minimizar las pérdidas de señal y garantizar un funcionamiento fiable a altas velocidades.
Fórmula de frecuencia
Para los circuitos impresos de alta frecuencia, se utiliza la siguiente fórmula para definir el ancho de banda de emisión de la señal, a veces también denominado ancho de banda de emisión EMI:
F=1/(Tr*π)
«F» es la frecuencia (GHz); «Tr» (nanosegundos) se refiere al tiempo de subida o bajada de la señal.
Normalmente, cuando F≥1GHz, se puede denominar circuito de alta frecuencia. Según esta fórmula, se puede calcular que cuando el tiempo de subida de la señal es inferior a aproximadamente 0,318 ns.
Características de PCB de alta frecuencia
- Las PCB de alta frecuencia tienen un DK pequeño y una mejor integridad de señal que las PCB de menor frecuencia.
- Son más resistentes a la diafonía y a las interferencias electromagnéticas.
- Pueden manejar velocidades de datos más altas.
- Son más caras que las PCB de menor frecuencia.
- Excelente resistencia a los impactos, a la corrosión química y al calor.
Directrices para el diseño de placas de circuito impreso de alta frecuencia
1. Enrutamiento de placas multicapa
Los circuitos de alta frecuencia suelen tener características de alta integración y alta densidad. El uso de enrutamiento multicapa en placas PCB de alta frecuencia es una forma eficaz de reducir la interferencia de señales. Durante el diseño de la PCB, utilice la capa intermedia para configurar el blindaje. Esto puede reducir eficazmente la inductancia parásita y acortar la longitud de transmisión de la señal. Al mismo tiempo, también puede reducir en gran medida la interferencia cruzada de señales y similares. Todo ello es beneficioso para la fiabilidad de los circuitos de alta frecuencia.
2. Evite los rastros anulares.
No deben ser anulares. Si no se puede evitar, el área anular debe mantenerse lo más pequeña posible.
3. Reducir los cables curvos.
Es mejor utilizar conductores rectos en el trazado de circuitos de alta frecuencia. También se puede utilizar una polilínea de 45 grados o un arco circular si es necesario. Como resultado, se puede reducir la emisión externa y el acoplamiento mutuo de las señales de alta frecuencia.
4. Reducir las vías entre capas.
Según la medición, una vía puede aportar aproximadamente 0,5 pF de capacitancia distribuida. Por lo tanto, es capaz de mejorar la velocidad y reducir la posibilidad de errores en los datos, al reducir significativamente el número de vías.
5. Utilice trazas cortas.
En las pistas de PCB de alta frecuencia, cuanto mayor es la longitud de la pista, mayor es la intensidad de la radiación. Esto facilita el acoplamiento con los componentes cercanos. Por lo tanto, las pistas cortas son mejores para las líneas de señal de alta frecuencia, como relojes, osciladores de cristal, líneas LVDS, líneas USB y líneas HDMI.
6. Aísle el cable de tierra de las señales digitales y analógicas.
El potencial eléctrico del cable de tierra en la señal digital de alta frecuencia es diferente al de la señal analógica, y existe una cierta diferencia de voltaje entre ellos. Además, el cable de tierra en las señales digitales de alta frecuencia suele tener componentes armónicos ricos. Cuando los cables de tierra de la señal digital y la señal analógica están conectados directamente, los armónicos de la señal digital interferirán con la señal analógica a través del acoplamiento del cable de tierra. Por lo tanto, los cables de tierra de la señal analógica y digital deben conectarse al cable de tierra común utilizando perlas de choque de alta frecuencia. O bien, puede conectarlos con un solo punto en una ubicación adecuada.
7. Añadir condensadores de desacoplamiento HF.
Coloque un condensador de desacoplamiento cerca del pin de alimentación de cada bloque IC para suprimir eficazmente la interferencia de los armónicos de alta frecuencia en los pines de alimentación.
Aplicación de PCB de alta frecuencia
Algunas aplicaciones potenciales para los PCB de alta frecuencia incluyen:
- – aplicaciones militares y aeroespaciales
- – telecomunicaciones
- – dispositivos digitales de alta velocidad
- – dispositivos médicos
- – teléfonos móviles
- – Comunicaciones por satélite
- – Wi-Fi y otras redes inalámbricas
- – Redes informáticas de alta velocidad
- – Radares y otros sistemas de guerra electrónica
- – Sistemas de imágenes médicas
Alta frecuencia frente a RF
Hay dos tipos principales de ondas electromagnéticas: las de alta frecuencia (HF) y las de radiofrecuencia (RF). Las ondas HF tienen una frecuencia más alta que las ondas RF y, por lo tanto, pueden transportar más información. Sin embargo, las ondas HF también son más susceptibles a las interferencias y pueden ser absorbidas por los objetos más fácilmente que las ondas RF.
Ventajas de las placas de circuito impreso de alta frecuencia
Como se mencionó anteriormente, en lo que respecta a la electrónica, cuanto más pequeño, mejor. Sin embargo, las placas más pequeñas pueden ser más difíciles de implementar, especialmente si utilizan señales de baja frecuencia. Con los PCB de alta frecuencia, los ingenieros pueden implementar placas y componentes más pequeños, lo que facilita la creación de dispositivos más pequeños. Las placas de RF se pueden utilizar para transferir datos a altas velocidades, lo que las hace ideales para aplicaciones como routers WiFi, teléfonos móviles y redes informáticas. También son útiles en dispositivos médicos que envían datos, como dispositivos de imágenes médicas, electrocardiogramas (ECG) y otros equipos médicos.
Inconvenientes de los circuitos impresos de alta frecuencia
El único inconveniente real de las PCB de alta frecuencia es que funcionan a frecuencias mucho más altas que las PCB de baja frecuencia. Esto significa que los ingenieros deben tener cuidado con las señales que utilizan, ya que las frecuencias más altas son más susceptibles al ruido. Otra cosa que hay que mencionar es que las PCB de alta frecuencia no pueden enrutarse con materiales conductores, como el cobre, ya que esto provocaría un cortocircuito. Por esta razón, las placas de alta frecuencia deben enrutarse con materiales no conductores, como los materiales basados en poliimida.
Materiales para placas de circuito impreso de alta frecuencia
Hay algunos aspectos que se deben tener en cuenta al elegir materiales para PCB de alta frecuencia. La constante dieléctrica (Dk) y el factor de disipación (Df) del material son propiedades importantes a considerar. La Dk de un material determina su capacidad para almacenar energía eléctrica, mientras que la Df determina la cantidad de energía que se pierde en forma de calor. Los materiales con una Dk y una Df bajas son ideales para aplicaciones de alta frecuencia.
El FR-4 es un dieléctrico común utilizado en PCB. Tiene una Dk de alrededor de 4,5 y una Df de alrededor de 0,02. Si bien el FR-4 es un buen dieléctrico de uso general, hay otros materiales que pueden ser más adecuados para aplicaciones específicas. Por ejemplo, el Rogers RO4003C tiene un Dk de 3,48 y un Df de 0,0037. Esto lo convierte en una buena opción para aplicaciones de RF en las que es importante una baja pérdida.
La siguiente tabla muestra algunos materiales de uso común para la fabricación de PCB de alta frecuencia:
Otra consideración importante a la hora de elegir materiales para PCB de alta frecuencia es el grosor del dieléctrico. Cuanto más grueso sea el dieléctrico, mayor será la capacitancia. Es importante tener esto en cuenta porque la capacitancia de una PCB afecta a la impedancia. En general, lo mejor es utilizar el dieléctrico más fino posible, manteniendo al mismo tiempo la capacitancia requerida.
Al elegir materiales para PCB de alta frecuencia, es importante tener en cuenta el Dk, el Df y el espesor del dieléctrico. El uso de un material con un Dk y un Df bajos ayudará a reducir las pérdidas, mientras que el uso de un dieléctrico delgado ayudará a mantener baja la impedancia.
Conclusión
Las placas de alta frecuencia funcionan a frecuencias más altas que las placas de baja frecuencia y se utilizan en dispositivos de comunicación inalámbrica y redes informáticas. Las PCB de alta frecuencia ayudan a los ingenieros a crear dispositivos más pequeños y también permiten mayores velocidades de transmisión de datos. Sin embargo, las PCB de alta frecuencia deben enrutarse con materiales no conductores y no pueden enrutarse con materiales conductores como el cobre.
