Impedenza di microstrip e stripline
Differenze tra microstrip e stripline, parametri dello stack-up, effetto di larghezza, dielettrico e rame e metodo per specificare l'impedenza controllata.
Redazione e revisione tecnica:Team di ingegneria ElectroDesignForge
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Una microstrip è una pista su uno strato esterno che usa come riferimento un piano su uno strato vicino. Una stripline è una pista su uno strato interno compresa tra due piani di riferimento. In entrambi i casi, l'impedenza caratteristica dipende dall'intera geometria elettromagnetica: larghezza e spessore della pista, distanza dai piani, permittività del dielettrico, solder mask e dettagli di fabbricazione.
Microstrip o stripline: scegliere la geometria
| Geometria | Costruzione | Vantaggi | Aspetti da controllare |
|---|---|---|---|
| Microstrip | Pista esterna sopra un piano | Accesso facile, spesso minori perdite dielettriche, instradamento e ispezione semplici | Il campo è in parte nell'aria e nel solder mask; maggiore sensibilità a strutture vicine e irradiazione |
| Stripline simmetrica | Pista interna centrata tra due piani | Migliore confinamento del campo, buona immunità e bassa irradiazione | Maggiori perdite dielettriche; la larghezza può essere minore e dipende dalla stratificazione dopo la pressatura |
| Stripline asimmetrica | Pista interna più vicina a un piano | Adatta a una stratificazione pratica non simmetrica | Occorre conoscere e mantenere entrambe le altezze del dielettrico |
La microstrip è comune per segnali accessibili in superficie, percorsi RF e interfacce per cui è comodo usare lo strato esterno. La stripline è spesso preferita per segnali veloci che attraversano una scheda densa o quando occorre limitare emissioni e suscettibilità. Questa scelta non elimina la necessità di gestire via, cambi di riferimento e vincoli di fabbricazione.
Usa il calcolatore di impedenza PCB per confrontare queste geometrie con la stratificazione effettiva del fabbricante.
Da cosa dipende l'impedenza
Per una linea singola, le variabili seguenti hanno l'effetto maggiore:
| Parametro | Effetto generale quando il parametro aumenta |
|---|---|
Larghezza della pista W | L'impedenza diminuisce |
Distanza dal piano di riferimento H | L'impedenza aumenta |
Permittività relativa εr / Dk | L'impedenza diminuisce |
Spessore del rame T | L'impedenza diminuisce leggermente, soprattutto per piste strette |
| Solder mask su una microstrip | Di norma l'impedenza diminuisce |
Queste tendenze aiutano a individuare incoerenze, ma non bastano a fissare la larghezza di una pista. Le equazioni per microstrip usano una permittività efficace εeff: parte del campo si propaga nel dielettrico e parte nell'aria o nel solder mask. Il campo della stripline è più confinato nel dielettrico, quindi la sua permittività efficace è più vicina alla Dk del materiale.
Leggere la stratificazione come specifica elettrica
Un'indicazione come «FR-4, 1.6 mm, 1 oz» non basta per calcolare l'impedenza. Serve la stratificazione dettagliata allo strato del segnale:
- Lo strato del segnale e il piano o i piani di riferimento continui che lo circondano.
- La distanza dopo la pressatura tra pista e ciascun piano, non solo lo spessore nominale del prepreg prima della laminazione.
- Lo spessore del rame finito, inclusa la metallizzazione degli strati esterni, se presente.
- La Dk di progetto del materiale alla frequenza desiderata, fornita dal produttore del laminato o del PCB.
- Presenza, spessore e Dk del solder mask per una microstrip.
- Tolleranze della larghezza finita, dell'altezza del dielettrico, del rame e della Dk.
Per una microstrip, l'altezza H è la distanza tra la pista e il suo piano di ritorno. In una stripline simmetrica, le distanze dai due piani sono uguali. Una stripline asimmetrica richiede altezze distinte, inferiore H1 e superiore H2; non sostituirle con la media a meno che il modello non lo preveda.
Esempio di progetto a 50 Ω
Considera una microstrip esterna sopra un piano di massa. Se l'incisione rende la pista più stretta, la sua capacità per unità di lunghezza diminuisce e l'impedenza aumenta. Se il dielettrico dopo la pressatura è più spesso, anche l'accoppiamento con il piano diminuisce e l'impedenza aumenta. Le due variazioni possono quindi sommarsi.
Per un obiettivo di 50 Ω, usa la larghezza calcolata come punto di partenza, poi chiedi al fabbricante di confermare il coupon di impedenza e la larghezza compensata. Una specifica utile indica almeno:
Strato: microstrip L1 riferita a L2
Impedenza obiettivo: 50 Ω singola
Tolleranza: ±10%
Riferimento stratificazione: revisione X del fabbricante
Controllo: coupon di impedenza e rapporto di misura
Il fabbricante può correggere la larghezza nel file Gerber se controlla la stratificazione e garantisce l'obiettivo. Non modificare tale larghezza dopo la convalida senza ripetere l'analisi.
Corrente di ritorno e transizioni
L'impedenza non dipende soltanto dalla pista del segnale. Ad alta frequenza, la corrente di ritorno segue preferibilmente il piano di riferimento sotto la linea, dove l'accoppiamento è più forte. Un'interruzione del piano, un cambio di riferimento o un passaggio di strato senza via di ritorno crea una discontinuità che può degradare il segnale anche se ogni tratto di pista è a 50 Ω.
- Mantieni un piano di riferimento continuo sotto una microstrip e su entrambi i lati di una stripline.
- Posiziona via di massa vicino ai cambi di strato per fornire un percorso di ritorno breve.
- Non costringere la corrente di ritorno ad attraversare un'apertura, una zona vietata o un piano interrotto.
- Verifica connettori, punti di ingresso, via e stub: spesso contano più di pochi millimetri di linea correttamente dimensionata.
Limiti del calcolo rapido
Il calcolatore di impedenza PCB fornisce una stima quasi statica per linea singola e un intervallo di tolleranza per confrontare le opzioni. Quando il margine è ridotto o la velocità dati è elevata, non sostituisce un solutore di campo o la convalida del fabbricante.
Serve un'analisi più completa quando diventano importanti solder mask, rugosità del rame, incisione trapezoidale, trama del vetro, linee differenziali accoppiate, via, ingressi dei connettori, piani vicini, perdite o dispersione in frequenza. Per un'interfaccia standard, parti sempre dal valore di impedenza e dalle regole di instradamento ufficiali.
Lista di controllo prima della fabbricazione
- Scegli la geometria realmente disponibile nella stratificazione: microstrip o stripline.
- Associa ogni linea a un piano di ritorno continuo.
- Usa i dati del fabbricante per dielettrico dopo la pressatura e rame finito.
- Indica impedenza obiettivo, tolleranza, strati e modalità singola o differenziale nelle note di fabbricazione.
- Richiedi larghezza compensata, coupon di prova e rapporto di misura quando l'impedenza è critica.
- Verifica separatamente transizioni, via e cambi di riferimento.
Bibliografia
- IPC-2141A — Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards.
- E. O. Hammerstad e Ø. Jensen — Accurate Models for Microstrip Computer-Aided Design, IEEE MTT-S, 1980.
- IPC-6012 — requisiti di qualificazione e prestazione per schede stampate rigide, integrati dalle regole del fabbricante e dai coupon.