Impedancia de microstrip y stripline
Diferencias entre microstrip y stripline, parámetros de apilamiento, el efecto del ancho, dieléctrico y cobre, y un método para especificar de forma controlada impedancia.
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Una microstrip es un rastro de capa exterior referenciado a un plano en una capa cercana. Una línea de franja es un trazo de capa interna entre dos planos de referencia. En ambos casos, la impedancia característica depende de la geometría electromagnética completa: ancho y espesor de la traza, distancia a los planos, permitividad dieléctrica, máscara de soldadura y detalles de fabricación.
Microstrip o stripline: eligiendo la geometría
| Geometría | Construcción | Fortalezas | Vigilancias |
|---|---|---|---|
| microtira | Traza de la capa exterior sobre un plano | Fácil acceso, a menudo menor pérdida dieléctrica, ruta e inspección sencillas | El campo está parcialmente en aire y máscara de soldadura; Más sensible a las estructuras cercanas y a la radiación. |
| Línea de franja simétrica | Traza de capa interior centrada entre dos planos | Mejor confinamiento en el campo, buena inmunidad y baja radiación. | Mayor pérdida dieléctrica; El ancho puede ser más estrecho y depende de la pila prensada. |
| Línea de rayas asimétrica | Traza de la capa interior más cerca de un plano | Se adapta a un práctico apilamiento no simétrico. | Se deben conocer y mantener ambas alturas dieléctricas. |
Microstrip es común para señales de superficie accesibles, enrutamiento de RF e interfaces donde el enrutamiento de capa externa es conveniente. A menudo se prefiere la línea de banda para señales rápidas que cruzan un tablero denso o cuando es necesario limitar la emisión y la susceptibilidad. Esta elección no reemplaza la necesidad de gestionar vías, cambios de referencia y restricciones de fabricación.
Utilice la calculadora de impedancia de PCB para comparar estas geometrías utilizando la pila real del fabricante.
¿Qué establece la impedancia?
Para una línea de un solo extremo, las siguientes variables tienen el efecto más fuerte:
| Parámetro | Efecto general cuando el parámetro aumenta. |
|---|---|
Ancho de traza W | La impedancia disminuye |
Distancia al plano de referencia H | Aumenta la impedancia |
Permitividad relativa εr / Dk | La impedancia disminuye |
Espesor de cobre T | La impedancia disminuye ligeramente, especialmente para pistas estrechas. |
| Máscara de soldadura en una microstrip | La impedancia generalmente disminuye |
Estas tendencias ayudan a detectar una inconsistencia, pero no son suficientes para congelar el ancho de la traza. Las ecuaciones de Microstrip utilizan una permisividad efectiva εeff: parte del campo viaja en el dieléctrico y parte en aire o máscara de soldadura. Stripline está más confinado en dieléctrico, por lo que su permitividad efectiva está más cerca del material Dk.
Lectura de una acumulación como especificación eléctrica
Una indicación como “FR-4, 1,6 mm, 1 oz” no es suficiente para calcular la impedancia. Necesita la acumulación detallada en la capa de señal:
- La capa de señal y el plano o planos continuos de referencia que la rodean.
- La distancia presionada entre la traza y cada plano, no solo el espesor nominal de prelaminación del preimpregnado.
- El cobre acabado, incluido el revestimiento de la capa exterior cuando corresponda.
- El diseño del material Dk a la frecuencia objetivo, proporcionado por el fabricante del laminado o PCB.
- Presencia, espesor y Dk de máscara de soldadura para una microstrip.
- Tolerancias de ancho de acabado, altura dieléctrica, cobre y Dk.
Para una microcinta, la altura H es la distancia desde la traza hasta su plano de retorno. En una línea de franja simétrica, las distancias de los dos planos son iguales. Una línea de franja asimétrica necesita alturas H1 inferior y superior H2 separadas; no los reemplace con un promedio a menos que el modelo lo admita.
Un ejemplo de diseño de 50 Ω
Considere una microcinta exterior sobre un plano de tierra. Si el grabado hace que la traza sea más estrecha, su capacitancia por unidad de longitud cae y su impedancia aumenta. Si el dieléctrico prensado se vuelve más grueso, el acoplamiento al plano también disminuye y la impedancia aumenta. Por lo tanto, estas dos variaciones pueden sumarse.
Para un objetivo de 50 Ω, utilice el ancho calculado como punto de partida y luego solicite al fabricante que confirme su cupón de impedancia y el ancho compensado. Una especificación útil establece al menos:
Layer: L1 microstrip referenced to L2
Target impedance: 50 Ω single-ended
Tolerance: ±10%
Stack-up reference: fabricator stack-up revision X
Control: impedance coupon and measurement report
El fabricante puede ajustar el ancho de Gerber cuando controla el apilamiento y garantiza el objetivo. No cambie ese ancho después de la validación sin repetir el análisis.
Retorno actual y transiciones
La impedancia no está determinada únicamente por la traza de la señal. A alta frecuencia, la corriente de retorno sigue preferentemente el plano de referencia debajo de una línea, donde el acoplamiento es más fuerte. Una división de plano, un cambio de referencia o una transición de capa sin vía de retorno crea una discontinuidad que puede degradar una señal incluso cuando cada segmento de traza es de 50 Ω.
- Mantenga un plano de referencia continuo debajo de una microstrip y a ambos lados de una stripline.
- Coloque vías de tierra cerca de las transiciones de capas para proporcionar un camino de retorno corto.
- No fuerce la corriente de retorno a través de una ranura, un bloqueo o un plano dividido.
- Comprobar conectores, lanzaderas, vías y trozos: muchas veces importan más que unos pocos milímetros de línea correctamente dimensionada.
Límites de cálculo rápido
La calculadora de impedancia de PCB proporciona una estimación cuasiestática de un solo extremo y una envolvente de tolerancia para comparar opciones. No reemplaza la validación del solucionador de campo o del fabricante cuando el margen es ajustado o la velocidad de datos es alta.
Se necesita un análisis más completo cuando hay máscara de soldadura, rugosidad del cobre, grabado trapezoidal, tejido de vidrio, líneas diferenciales acopladas, vías, lanzamientos de conectores, planos cercanos, pérdida o dispersión de frecuencia. Para una interfaz estándar, comience siempre desde su objetivo de impedancia oficial y sus reglas de enrutamiento.
Lista de verificación de prefabricación
- Elija la geometría realmente disponible en el stack-up: microstrip o stripline.
- Asocia cada línea con un plano de retorno continuo.
- Utilice los datos del dieléctrico prensado y del cobre acabado del fabricante.
- Indique la impedancia objetivo, la tolerancia, las capas y el modo diferencial o de un solo extremo en las notas de fabricación.
- Solicite ancho compensado, cupón de prueba e informe de medición cuando la impedancia sea crítica.
- Verifique las transiciones, vías y cambios de referencia por separado.
Bibliografía
- IPC-2141A — Guía de diseño para placas de circuitos de impedancia controlada de alta velocidad.
- E. O. Hammerstad y Ø. Jensen — Modelos precisos para diseño asistido por computadora de Microstrip, IEEE MTT-S, 1980.
- IPC-6012: requisitos de calificación y rendimiento para tableros impresos rígidos, complementados con reglas y cupones del fabricante.