En los últimos años, el diseño de los PCB se ha convertido en una tarea cada vez más desafiante, debido principalmente, en la mayoría de los casos, a la presencia combinada de señales digitales, mixtas y de radiofrecuencia (RF). En general, una placa de circuito impreso puede considerarse del tipo RF cuando la frecuencia de las señales implicadas, como mínimo, es superior a 100 MHz. El diseño y enrutamiento de un PCB de RF requiere ciertas consideraciones especiales y un enfoque diferente al aplicado en el caso del PCB de baja frecuencia. Con el incremento de la frecuencia, la longitud de onda de la señal RF se vuelve comparable a las dimensiones geométricas de las trazas; en consecuencia, es necesario considerar todo el circuito como un sistema de parámetro distribuido, teniendo en cuenta tanto la amplitud como el cambio de fase experimentado por la señal a lo largo de la línea de transmisión, a fin de evitar posibles reflexiones de la señal. Fenómenos tales como el efecto superficial (determinado por las imperfecciones y rugosidades en las trazas de cobre), acoplamiento capacitivo entre señales que viajan a lo largo de trazas adyacentes, la interferencia electromagnética y el control de impedancia son tan solo algunos de los principales desafíos que los diseñadores electrónicos deben abordar.
Directrices principales
Un primer aspecto a tener en cuenta durante el enrutamiento de la señal de RF se refiere a la adaptación de impedancias. Un circuito sin adaptación de impedancias, de hecho, genera no solo pérdidas de energía significativas sino también peligrosas reflexiones de la señal a lo largo de las trazas del PCB. El teorema de máxima transmisión de potencia indica que la potencia transmitida es máxima cuando la resistencia de carga es igual a la resistencia interna de la fuente. Extensivo al ámbito de las corrientes alternas, el teorema enuncia que la impedancia de la carga debe ser el complejo conjugado de la impedancia de la fuente. Para maximizar la transmisión de potencia es, por tanto, esencial considerar la adaptación de impedancias. Debido a que la mayoría de los sistemas y módulos de RF tienen una impedancia de 50 Ω, es preferible que las trazas de un PCB de RF tengan una impedancia característica de 50 Ω. Los dos tipos de trazas habitualmente utilizados en los PCB son microstrips, en los que las trazas están situadas en las capas exteriores del PCB (normalmente por encima de un plano de tierra) y striplines, donde cada traza está comprimida entre dos planos de tierra. La Figura 1 muestra los dos tipos de trazas: una vez que la impedancia Z se fija en 50 Ω, es posible calcular el ancho W como una función del grosor T y la distancia H entre la traza y el plano de tierra, aplicando las fórmulas contenidas en la norma IPC2141A.
Figura 1: Líneas de transmisión microstrip y stripline.
Como regla general, podemos afirmar que el ancho de una traza adquiere importancia cuando su longitud es mayor a un décimo de la longitud de onda de la señal que la atraviesa. Por ejemplo, la frecuencia f = 1 GHz corresponde a una longitud de onda λ = c / f = 30 cm (donde c es la velocidad de la luz en vacío) y la longitud crítica de la traza es, por tanto, igual o cercana a 3 cm. En el PCB, sin embargo, la velocidad de propagación de la señal es inferior a la velocidad de la luz; en concreto, se reduce con el cuadrado de la constante dieléctrica relativa del material, que en el caso de FR-4 es de aproximadamente 4,3. Por lo tanto, la longitud crítica a 1 GHz se convierte en aproximadamente 16 mm: cada traza (o mejor, cada línea de transmisión) con una longitud superior a este valor debe tener un ancho adecuadamente calculado. Las líneas de transmisión deben mantenerse rectas el mayor tiempo posible. Cuando, por necesidades de enrutamiento, es necesario cambiar la dirección, es recomendable utilizar un radio de curvatura igual como mínimo al triple del ancho de la traza, tal como se muestra en la imagen que figura a la izquierda de la Figura 2. Haciéndolo así, la variación en la impedancia característica se minimiza a lo largo de toda la curvatura. Si no es posible colocar una traza curva, el enrutamiento deberá aplicar un ángulo recto redondeado, como indica la imagen que figura a la derecha de la Figura 2.
Figura 2: Enrutamiento de trazas curvas.
Cuando, por necesidades de diseño, una línea de transmisión debe ocupar varias capas, es necesaria la inserción de orificios de paso, utilizando como mínimo dos orificios para cada transición para minimizar la inductancia de carga. Es también muy importante la correcta selección del tamaño de los componentes SMD, ya que están disponibles en el mercado en una amplia selección de formatos. Respecto a los componentes pasivos SMD (resistencias y condensadores), una regla normalmente aplicada consiste en seleccionar componentes cuyo ancho sea comparable al de una traza con una impedancia de 50 Ω, reduciendo así los problemas de concordancia de la impedancia entre la traza y las pastillas de los componentes.
Otro factor importante que afecta al enrutamiento es la elección del apilamiento, que es el número y tipo de capas que configuran el circuito impreso. Los PCB de RF están normalmente compuestos por 2 o 4 capas, pero en algunos casos pueden llegar a 8 capas. Los PCB de doble cara tienen los componentes y las trazas en la capa superior, mientras que la capa inferior se utiliza como plano de tierra, proporcionando el camino más corto para las corrientes de retorno de tierra. Un PCB de doble cara es rentable, pero requiere un enrutamiento y una colocación de los componentes muy minuciosa debido al limitado espacio disponible. El grosor de un PCB de doble cara oscila normalmente entre 0,8 y 1 mm, ya que un mayor grosor llevaría (según lo mencionado anteriormente sobre la impedancia) a un ancho excesivo de las trazas. Un PCB de 4 capas facilita enormemente el enrutamiento, con más espacio disponible para los componentes y la posibilidad de crear planos de tierra y de potencia. El apilamiento recomendado se muestra en la Figura 3. Obsérvese cómo en esta estructura siempre debe estar presente un plano de tierra por debajo de la capa superior, que contiene los componentes y las trazas. Un PCB de 4 capas, gracias a su mayor grosor, también proporciona mayor fuerza y resistencia mecánica al circuito.
Figura 3: Un apilamiento de PCB de 4 capas.
En referencia al diseño de la Figura 3, debemos asegurar que las señales de RF están adecuadamente aisladas, evitando acoples indeseados con otras señales. Esto afecta principalmente a las líneas de transmisión de radiofrecuencia (por ejemplo, las líneas Rx y Tx de un transceptor inalámbrico), señales de alta frecuencia (por ejemplo, señales horarias o PLL) y líneas eléctricas. También es necesario insertar condensadores de desacoplamiento lo más cerca posible de cada pasador, o punto de distribución, de la tensión de alimentación VCC. Su función consiste en proporcionar una ruta de baja impedancia para el ruido de alta frecuencia. La capacitancia de estos condensadores se elegirá en función de la frecuencia de las señales de RF que recorren el circuito, teniendo en cuenta que también es importante conocer el parámetro SRF (frecuencia de resonancia propia), ya que por encima de este valor el condensador se comporta como un inductor y, por tanto, no puede realizar la función de desacoplamiento o derivación. Como muestra la Figura 3, la práctica habitual dicta el uso de un plano de tierra sólido (ininterrumpido), situado inmediatamente bajo la capa superior donde se encuentran los componentes y las líneas de transmisión. Las señales de RF, caracterizadas por unos bordes ascendentes muy abruptos, requieren un plano de tierra situado en proximidad directa, con capacidad portadora de la corriente de retorno. Si esto no se hace, pueden crearse bucles de corriente con radiación de señal no deseada y, en consecuencia, una distorsión de la señal de RF. Incluso la más ligera interrupción en el plano de tierra hace que la señal de retorno tome una ruta distinta, causando problemas significativos de señal. Precisamente por este motivo se utilizan trazas microstrip, cuyo ancho y distancia del plano de tierra pueden controlarse a fin de obtener un valor de impedancia preciso, minimizando las reflexiones de señal. Un plano de tierra sólido también permite, mediante orificios de paso especiales, una fácil conexión a tierra de las pastillas. Por regla general, la distancia entre dos orificios de paso conectados al plano de tierra no debe superar un décimo de la longitud de onda de la máxima frecuencia operativa en el circuito. Por ejemplo, si la máxima frecuencia operativa es de 2,4 GHz, los orificios de paso deben tener una separación de 6 mm. Asimismo es importante colocar estos orificios de paso alrededor de los bordes del PCB, reduciendo así las pérdidas de RF a través del laminado de PCB.
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El plano de tierra también desempeña una importante función secundaria, que consiste en proporcionar un medio efectivo para la disipación térmica. A este respecto, también es necesario en este caso insertar un número apropiado de orificios de paso, posiblemente mediante vías de orificios que crucen todas las capas del PCB, y revestidas internamente con pasta térmica conductora para mejorar la gestión térmica.
