Quando se trata de eletrônica, "quanto menor, melhor" é uma frase comum que os engenheiros costumam repetir. Os engenheiros conseguiram implementar componentes menores, através do uso de PCB de alta frequência, que permitem dispositivos menores.
O que é PCB de alta frequência?
Uma PCB de alta frequência é uma placa de circuito impresso projetada para operar em altas frequências. Essas placas são normalmente fabricadas com materiais especiais e possuem características de design específicas para minimizar as perdas de sinal e garantir uma operação confiável em altas velocidades.
Fórmula da frequência
Para placas de circuito impresso de alta frequência, a seguinte fórmula é usada para definir a largura de banda de emissão do sinal, às vezes também chamada de largura de banda de emissão EMI:
F=1/(Tr*π)
“F” é a frequência (GHz); “Tr” (nanossegundo) refere-se ao tempo de subida ou descida do sinal.
Normalmente, quando F≥1GHz, pode ser chamado de circuito de alta frequência. De acordo com esta fórmula, pode-se calcular que quando o tempo de subida do sinal é inferior a cerca de 0,318ns.
Característica de PCB de alta frequência
- As placas de circuito impresso HF têm um DK pequeno e uma melhor integridade de sinal do que as placas de circuito impresso de frequência mais baixa.
- Mais resistentes à interferência eletromagnética e à interferência cruzada.
- Podem lidar com taxas de dados mais elevadas.
- Mais caras do que as placas de circuito impresso de frequência mais baixa.
- Excelente resistência ao impacto, resistência à corrosão química e resistência ao calor.
Diretrizes para o projeto de placas de circuito impresso de alta frequência
1. Roteamento de placas multicamadas
Os circuitos de alta frequência geralmente têm características de alta integração e alta densidade. O uso de roteamento multicamadas em placas de alta frequência PCB é uma maneira eficaz de reduzir a interferência de sinal. Durante o layout da PCB, use a camada intermediária para definir a blindagem. Isso pode reduzir efetivamente a indutância parasítica e encurtar o comprimento de transmissão do sinal. Ao mesmo tempo, também pode reduzir significativamente a interferência cruzada de sinal e similares. Tudo isso é benéfico para a confiabilidade dos circuitos de alta frequência.
2. Evite traços anulares
Todos os tipos de traços de sinais de alta frequência não devem ser anulares. Se isso não puder ser evitado, a área anular deve ser mantida o menor possível.
3. Reduzir os cabos curvos
É melhor usar condutores retos no roteamento de circuitos de alta frequência. Você também pode usar uma polilinha de 45 graus ou um arco circular, se necessário. Como resultado, isso pode reduzir a emissão externa e o acoplamento mútuo de sinais de alta frequência.
4. Reduzir as vias entre camadas
De acordo com a medição, uma via pode trazer cerca de 0,5 pF de capacitância distribuída. Portanto, é possível melhorar a velocidade e reduzir a possibilidade de erros de dados, reduzindo significativamente o número de vias.
5. Use traços curtos
Em traços de PCB de alta frequência, quanto maior o comprimento do traço, maior a intensidade da radiação. Isso facilita o acoplamento a componentes próximos. Portanto, traços curtos são melhores para linhas de sinal de alta frequência, como relógios, osciladores de cristal, linhas LVDS, linhas USB e linhas HDMI.
6. Isole o fio terra dos sinais digitais e analógicos.
O potencial elétrico do fio terra no sinal digital de alta frequência é diferente do potencial elétrico no sinal analógico, e há uma certa diferença de tensão entre eles. Além disso, o fio terra em sinais digitais de alta frequência geralmente tem componentes harmônicos ricos. Quando os fios terra do sinal digital e do sinal analógico são conectados diretamente, os harmônicos do sinal digital interferem no sinal analógico através do acoplamento do fio terra. Portanto, os fios terra do sinal analógico e digital devem ser conectados ao fio terra comum usando contas de choque de alta frequência. Ou você pode conectá-los com um único ponto em um local adequado.
7. Adicione capacitores de desacoplamento HF
Coloque um capacitor de desacoplamento próximo ao pino de alimentação de cada bloco IC para suprimir eficazmente a interferência de harmônicos de alta frequência nos pinos de alimentação.
Aplicação de PCB de alta frequência
Algumas aplicações potenciais para PCBs de alta frequência incluem:
- – aplicações militares e aeroespaciais
- – telecomunicações
- – dispositivos digitais de alta velocidade
- – dispositivos médicos
- – telefones celulares
- – comunicações por satélite
- – Wi-Fi e outras redes sem fio
- – redes de computadores de alta velocidade
- – Radar e outros sistemas de guerra eletrônica
- – Sistemas de imagem médica
Alta frequência vs RF
Existem dois tipos principais de ondas eletromagnéticas: alta frequência (HF) e radiofrequência (RF). As ondas HF têm uma frequência mais alta do que as ondas RF e, portanto, podem transportar mais informações. No entanto, as ondas HF também são mais suscetíveis a interferências e podem ser absorvidas por objetos mais facilmente do que as ondas RF.
Benefícios das placas de circuito impresso de alta frequência
Como mencionado acima, quanto menor, melhor quando se trata de eletrônicos. No entanto, placas menores podem ser mais difíceis de implementar, especialmente se estiverem usando sinais de baixa frequência. Com PCBs de alta frequência, os engenheiros podem implementar placas e componentes menores, facilitando a criação de dispositivos menores. As placas RF podem ser usadas para transferir dados em altas velocidades, tornando-as ideais para aplicações como roteadores WiFi, telefones celulares e redes de computadores. Também são úteis em dispositivos médicos que enviam dados, como dispositivos de imagem médica, eletrocardiogramas (ECG) e outros equipamentos médicos.
Desvantagens dos circuitos impressos de alta frequência
A única desvantagem real das placas de circuito impresso de alta frequência é que elas operam em frequências muito mais altas do que as placas de baixa frequência. Isso significa que os engenheiros devem ter cuidado com os sinais que estão usando, pois frequências mais altas são mais suscetíveis a ruídos. Outro aspecto a mencionar é que as placas de circuito impresso de alta frequência não podem ser roteadas com materiais condutores, como o cobre, pois isso causará um curto-circuito. Por esse motivo, as placas de alta frequência devem ser roteadas com materiais não condutores, como materiais à base de poliimida.
Materiais para placas de circuito impresso de alta frequência
Há alguns aspectos a considerar ao escolher materiais para PCB de alta frequência. A constante dielétrica (Dk) e o fator de dissipação (Df) do material são propriedades importantes a serem consideradas. O Dk de um material determina sua capacidade de armazenar energia elétrica, enquanto o Df determina quanta energia é perdida na forma de calor. Materiais com Dk e Df baixos são ideais para aplicações de alta frequência.
O FR-4 é um dielétrico comum usado em PCBs. Ele tem um Dk de cerca de 4,5 e um Df de cerca de 0,02. Embora o FR-4 seja um bom dielétrico de uso geral, existem outros materiais que podem ser mais adequados para aplicações específicas. Por exemplo, o Rogers RO4003C tem um Dk de 3,48 e um Df de 0,0037. Isso o torna uma boa escolha para aplicações de RF onde a baixa perda é importante.
A tabela abaixo mostra alguns materiais comumente usados para fabricar PCBs de alta frequência:
Outra consideração importante ao escolher materiais de PCB de alta frequência é a espessura do dielétrico. Quanto mais espesso for o dielétrico, maior será a capacitância. Isso é importante a considerar porque a capacitância de um PCB afeta a impedância. Em geral, é melhor usar o dielétrico mais fino possível, mantendo a capacitância necessária.
Ao escolher materiais para PCB de alta frequência, é importante considerar o Dk, o Df e a espessura do dielétrico. Usar um material com Dk e Df baixos ajudará a reduzir as perdas, enquanto usar um dielétrico fino ajudará a manter a impedância baixa.
Conclusão
As placas de alta frequência operam em frequências mais altas do que as placas de baixa frequência e são utilizadas em dispositivos de comunicação sem fios e redes informáticas. As placas de circuito impresso de alta frequência ajudam os engenheiros a criar dispositivos mais pequenos e também permitem maiores taxas de transmissão de dados. No entanto, as placas de circuito impresso de alta frequência devem ser encaminhadas com materiais não condutores e não podem ser encaminhadas com materiais condutores, como o cobre.
