impedancias.txt
# Proyecto CIAA - FSL: Cálculo de impedancias #
Autor: INTI CMNB - Laboratorio CEA (Circuitos Electrónicos Avanzados)   
Fecha: Agosto 2014

## Stack up del circuito impreso ##
* El stack-up de la CIAA-FSL es el siguiente:
    - Top layer: Señal con plano de GND.  
    - Inner layer 1: Señal con plano de power con +3.3VDC. En los sectores con 
señales analógicas utilizar como referencia la tensión +3.3VADC.   
    - Inner layer 2: Plano de GND. En los sectores con señales analógicas 
utilizar como referencia GNDA.  
    - Bottom layer: Señal con plano de GND.
* De acuerdo a lo informado por Ernesto Mayer S.A. http://www.mayerpcb.com, 
la empresa que fabricará los primeros prototipos del circuito impreso, los 
espesores de los materiales a utilizar son:
    - L1: 1 oz (0,035 mm)
    - PREPREG Isola 2 x 7628AT05: 0,346 mm
    - L2: 1 oz (0,035 mm)
    - LAMINATE Isola 4 x 7628M: 0,76 mm
    - L3: 1 oz (0,035 mm)
    - PREPREG Isola 2 x 7628AT05: 0,346 mm
    - L4: 1 oz (0,035 mm)
* El espesor final del impreso es de 1,6 mm. 
* El material a utilizar es del fabricante Isola http://www.isola-group.com, 
con el código DURAVER-E-Cu 
quality 104 ML. Con los espesores indicados, se puede determinar el material 
exacto que se utilizará y su correspondiente contenido de resina. Con el 
porcentaje de resina y la frecuencia de trabajo, se obtiene la permitividad
aproximada a usar en los cálculos de impedancia. Ver la hoja de datos del 
material en datasheets/laminates_prepregs/Isola_Duraver_E104ML_Multilayer.pdf.
El prepreg a utilizar es el 2 x 7628AT05, con un espesor de 0,173 mm y un 
contenido de resina del 47 %.   
* La máscara antisoldante utilizada es la Lackwerke Peters SD 2467 SM-YG. Pero
debido a las limitaciones de la calculadora de Kicad no pudo incorporarse 
la información de la máscara antisoldante (permitividad y espesor) en los 
cálculos de impedancia característica.      
  

## Cálculo de las líneas diferenciales USB ##
* Según la especificación USB, las líneas diferenciales deben tener una 
impedancia característica diferencial de 90 ohm +/- 15 %. Para cumplir con este requerimiento, 
debe calcularse el ancho de las pistas y la distancia entre las mismas en base
al stackup presentado. Un software que realiza este cálculo es la herramienta 
Transline de la calculadora del Kicad.
* En cuanto a la frecuencia de trabajo, es necesario calcularla para buscar
la permitividad del material en el gráfico provisto por el fabricante.
El dato necesario es el rise time de las señales USB del MCU K60. En la página 
130 de la especificación USB 2.0 (http://www.usb.org/developers/docs/usb20_docs/#usb20spec),
se indica que el rise time debe estar entre 4 ns y 20 ns.  
Considerando el mínimo posible, se calcula la frecuencia máxima que delimita el ancho de 
banda de la señal.
   - f (-3dB) = 0.35 / tr = 87,50 MHz
   - Para una frecuencia de 88 MHz y un contenido de resina de 47 %, la permitividad
aproximada es de 4,5.
* Debido a que el par diferencial se ruteará en la capa top, se debe seleccionar 
la línea de transmisión de tipo Coupled Microstrip Line. Los datos a ingresar son:
    - Er = 4,5
    - H = 0,346 mm (0,173 mm x 2)
    - T = 0,035 mm
    - W = Cualquier valor
    - S = 7 mils
    - L = 0 mm (no afecta a la Z0 de la línea)
    - Z0e = 75 ohm
    - Z0o = 45 ohm (90 ohm / 2)
    - Ang_l = 0 rad
* Presionar el botón Synthetize y luego ajustar S a 7 mils, redondear W a 18 mils. 
Presionar Analyze. 
* Resultados:
    - Ancho de pistas (W) = 18 mils
    - Distancia entre pistas (S) = 7 mils
    - Zdiff (Z0o * 2) = 91,75 ohm
* El resultado de 91,75 ohm está dentro del 15 % de tolerancia de la especificación
USB.        
* Consultar las definiciones de impedancia par, impar y de modo común en:
http://www.polarinstruments.com/support/cits/AP157.html


![Cálculo USB](images/calc_USB.png)    

## Cálculo de las líneas diferenciales Ethernet ##
* Para el caso de Ethernet, las líneas diferenciales deben tener una 
impedancia característica diferencial de 100 ohm. 
* En cuanto a la frecuencia de trabajo, es necesario calcularla para buscar
la permitividad del material en el gráfico provisto por el fabricante.
El dato necesario es el rise time de las señales RMII, para el PHY KSZ8041TL
es de 3 ns. Con este rise time se calcula la frecuencia máxima que delimita el ancho de 
banda de la señal.
   - f (-3dB) = 0.35 / tr = 116 MHz
   - Para una frecuencia de 116 MHz y un contenido de resina de 47 %, la permitividad
aproximada es de 4,48. 
* Debido a que los pares diferenciales se rutearán en la capa top, se debe seleccionar 
la línea de transmisión de tipo Coupled Microstrip Line. Los datos a ingresar son:
    - Er = 4,48
    - H = 0,346 mm (0,173 mm x 2)
    - T = 0,035 mm
    - W = Cualquier valor
    - S = 8 mils 
    - L = 0 mm (no afecta a la Z0 de la línea)
    - Z0e = 75 ohm  
    - Z0o = 50 ohm (100 ohm / 2)
    - Ang_l = 0     
* Presionar el botón Synthetize y luego ajustar S a 8 mils, cambiar W a 15 mils 
(para que no quede tan ancha). Presionar Analyze. 
* Resultados:
    - Ancho de pistas (W) = 15 mils
    - Distancia entre pistas (S) = 8 mils
    - Zdiff (Z0o * 2) = 102,11 ohm


![Cálculo ETH](images/calc_ETH.png)

## Calculadora de Kicad ##
* Para obtener información sobre la calculadora de Kicad Pcb Calculator y la 
herramienta Transline para cálculos sobre líneas de transmisión, consultar
el código fuente de la misma en el siguiente link: 
https://github.com/KiCad/kicad-source-mirror/tree/master/pcb_calculator/transline

* A modo de referencia, se listan a continuación algunas descripciones de los
parámetros de entrada y salida:

    - Er: dielectric constant
    - TanD: dielectric Loss Tangent
    - H: height of substrate
    - H_t: height to the top of box
    - T: thickness of top metal
    - Rough: roughness of top metal
    - MurC: magnetic permeability of conductor
    - Mur: magnetic permeability of substrate
    - f: frequency of operation
    - W: width of line
    - L: length of line
    - S: spacing of lines 
    - Z0: characteristic impedance
    - Z0e: even mode impedance
    - Z0o: odd mode impedance
    - Ang_l: electrical length in angle
    - Ereff: effective dielectric constant