Tratamento de sinais

A integridade de sinal e o crosstalk podem ter um impacto significativo no desempenho das PCBs. A falta de integridade dos sinais está relacionado a problemas de interconexões de trilhas, prejudicando a velocidade, aumentando a frequência de clock, e distorcendo o sinal, ruídos. O principal meio de fazer esse tratamento de sinal é fazendo o controle da impedância no circuito completo, a partir de técnicas de roteamento e análises em softwares. Durante o processo de fabricação, as seguintes fases têm fundamentais importâncias para a integridade do sinal; layout, disposição física dos componentes na placa; roteamento, a escolha do caminho traçado pelo condutor de conexão dos componentes; e tipo da placa, quantidade de layers. As 3 principais categorias que devem ser levadas em consideração são tempo, ruído e interferência eletromagnética, as quais abrangem os 4 principais problemas: duração, qualidade do sinal, crosstalk e interferência eletromagnética.

Tempo

A frequência do clock é utilizada para sincronizar as operações de leitura, escrita e processamento, ela pode ser afetada por interferências e ruídos, o que pode comprometer a estabilidade e integridade dos sinais no sistema. Problemas de temporização, como atrasos ou desvios no sinal do clock, podem ocorrer se a frequência não estiver correta.

Ruído

A quantidade de ruído depende da quantidade de acoplamento por comprimento, medido pela capacitância mútua e indutância mútua, a tensão acoplada e o ruído de corrente dependem da intensidade do sinal. O tempo de subida do sinal (clock) não afeta o ruído instantâneo total acoplado de corrente ou tensão.

Crosstalk

Ocorre quando o sinal transmitido em uma trilha interfere indevidamente em outra trilha adjacente, causando interferência e distorção nos sinais. O crosstalk pode surgir em altas frequências de clock e pode não ser um problema em PCBs com baixas frequências de operação.

Para reduzir o crosstalk, algumas medidas podem ser adotadas, como trabalhar com trilhas mais espaçadas, trilhas mais espessas, densidade menor de componentes, blindagens nas trilhas e uso de planos de vias de retorno. Em resumo, trata-se de impedância, através do controle da impedância das trilhas é possível minimizar reflexões e melhorar a qualidade do sinal transmitido.

Além disso, há o acoplamento capacitivo, o qual ocorre quando o campo elétrico ”flutua” cargas de trilhas próximas, prejudicando a integridade do sinal, fazendo com que o crosstalk gere atraso, alteração no sinal e overshoot de tensão.Normalmente é causado por trilhas muito próximas que acabam agindo como um capacitor. Nesse caso, é feito o uso de capacitores de desacoplamento, que diminuem ruídos e correntes parasitas desviando a energia pro gnd, além de atuarem como bulk, mantendo tanto a tensão quanto a corrente constante quando há chaveamento simultâneo nos pinos de sinais.

Os capacitores de desacoplamento não devem ser colocados aleatoriamente, normalmente os datasheets fornecem o valor e onde eles devem ficar no circuito mas , basicamente, devem possuir uma impedância baixa e devem ficar perto do pino que pode gerar a energia parasita, deixando o loop menor possível.

Diante disso, fica evidente que práticas e medidas de design podem auxiliar na integridade dos sinais, minimizando problemas como o crosstalk, distorções de sinais e interferências que possam afetar o funcionamento. Segue abaixo as boas práticas:

• Impedâncias correspondentes: Garantir que as impedâncias das trilhas de sinal correspondam às impedâncias dos dispositivos conectados, tal prática evita reflexões de sinal e distorções, ou seja, minimiza perdas de sinais.

• Roteamento adequado: Um roteamento correto das trilhas de sinal pode reduzir o crosstalk e a interferência entre os sinais tal roteamento implica em evitar trilhas paralelas próximas e cruzamentos desnecessários, agrupar componentes de mesma família e funcionalidade para minimizar o crosstalk, manter distâncias apropriadas entre trilhas críticas seguindo as normas IPC e minimizar a distância física entre componentes para reduzir o acoplamento capacitivo.

• Blindagem e aterramento: O uso de layers e polígonos de GND ajudam a reduzir interferências eletromagnéticas. Além disso, a utilização de blindagens em trilhas sensíveis pode minimizar o crosstalk e a captação de ruídos externos. Tal blindagem é, normalmente, feita com materiais condutores ligados ao gnd ou com o próprio polígono de gnd.

• Trilhas de alimentação: Controlar a distribuição de alimentação na placa pode ajudar a evitar flutuações de tensão que possam afetar a integridade dos sinais. Isso inclui o uso de capacitores de desacoplamento próximos aos componentes para garantir uma estabilidade

• Simulação: Realizar análises de simulação, como simulações de crosstalk e análises de impedância, pode ajudar a identificar potenciais problemas de integridade de sinal antes da fabricação da placa.

• Verificações: Realizar testes de integridade de sinal, como testes de tempo de subida do clock, testes de ruído e testes de integridade de sinal em alta velocidade. Tais testes podem ser feitos com osciloscópios ou com os próprios simuladores