Impedância de microstrip e stripline
Compare microstrip e stripline, parâmetros do empilhamento, efeitos da largura, do dielétrico e do cobre, e como especificar impedância controlada.
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Uma microstrip é uma trilha na camada externa referenciada a um plano em uma camada próxima. Uma stripline é uma trilha interna entre dois planos de referência. Em ambos os casos, a impedância característica depende de toda a geometria eletromagnética: largura e espessura da trilha, distância até os planos, permissividade do dielétrico, máscara de solda e detalhes de fabricação.
Microstrip ou stripline: como escolher a geometria
| Geometria | Construção | Vantagens | Cuidados |
|---|---|---|---|
| Microstrip | Trilha na camada externa acima de um plano | Acesso fácil, geralmente menor perda dielétrica, roteamento e inspeção simples | Parte do campo atravessa o ar e a máscara de solda; maior sensibilidade a estruturas próximas e à radiação |
| Stripline simétrica | Trilha interna centralizada entre dois planos | Melhor confinamento do campo, boa imunidade e baixa radiação | Maior perda dielétrica; a trilha pode ser mais estreita e depende do empilhamento após a laminação |
| Stripline assimétrica | Trilha interna mais próxima de um dos planos | Acomoda um empilhamento assimétrico viável | As duas alturas do dielétrico precisam ser conhecidas e controladas |
A microstrip é comum em sinais de superfície acessíveis, no roteamento de RF e em interfaces para as quais a camada externa é conveniente. A stripline costuma ser preferida para sinais rápidos que atravessam uma placa densa ou quando é necessário limitar emissões e suscetibilidade. Essa escolha também exige atenção a vias, mudanças de referência e restrições de fabricação.
Use a calculadora de impedância de PCB para comparar as geometrias com o empilhamento real do fabricante.
O que determina a impedância
Para uma linha de terminação simples, estas variáveis têm maior efeito:
| Parâmetro | Efeito geral ao aumentar o parâmetro |
|---|---|
Largura da trilha W | A impedância diminui |
Distância ao plano de referência H | A impedância aumenta |
Permissividade relativa εr / Dk | A impedância diminui |
Espessura do cobre T | A impedância diminui ligeiramente, sobretudo em trilhas estreitas |
| Máscara de solda sobre uma microstrip | A impedância geralmente diminui |
Essas tendências ajudam a identificar inconsistências, mas não bastam para definir a largura final da trilha. As equações de microstrip usam a permissividade efetiva εeff: parte do campo percorre o dielétrico e parte percorre o ar ou a máscara de solda. Na stripline, o campo fica mais confinado no dielétrico; por isso, a permissividade efetiva se aproxima mais do Dk do material.
Como interpretar o empilhamento como especificação elétrica
Uma indicação como “FR-4, 1,6 mm, 1 oz” não basta para calcular a impedância. É preciso conhecer o empilhamento detalhado junto à camada de sinal:
- A camada de sinal e o plano, ou planos, de referência contínuos ao seu redor.
- A distância após a laminação entre a trilha e cada plano, não apenas a espessura nominal do prepreg antes da laminação.
- A espessura final do cobre, incluindo a metalização das camadas externas quando aplicável.
- O Dk de projeto do material na frequência desejada, fornecido pelo fabricante do laminado ou da PCB.
- A presença, espessura e Dk da máscara de solda, no caso de microstrip.
- As tolerâncias de largura final, altura do dielétrico, cobre e Dk.
Para uma microstrip, a altura H é a distância da trilha ao seu plano de retorno. Em uma stripline simétrica, as distâncias aos dois planos são iguais. Uma stripline assimétrica exige as alturas inferior H1 e superior H2 separadamente; não use a média delas a menos que o modelo permita.
Exemplo de projeto de 50 Ω
Considere uma microstrip externa acima de um plano de terra. Se a gravação deixar a trilha mais estreita, sua capacitância por unidade de comprimento diminui e a impedância aumenta. Se o dielétrico após a laminação ficar mais espesso, o acoplamento ao plano também diminui e a impedância aumenta. Portanto, as duas variações podem se somar.
Para um alvo de 50 Ω, use a largura calculada como ponto de partida e peça ao fabricante que confirme o cupom de teste de impedância e a largura compensada. Uma especificação útil informa pelo menos:
Camada: microstrip em L1 referenciada a L2
Impedância desejada: 50 Ω, terminação simples
Tolerância: ±10%
Referência do empilhamento: revisão X do fabricante
Controle: cupom de impedância e relatório de medição
O fabricante pode ajustar a largura no arquivo Gerber quando controla o empilhamento e garante a impedância desejada. Não altere essa largura após a validação sem repetir a análise.
Corrente de retorno e transições
A impedância não depende apenas da trilha de sinal. Em alta frequência, a corrente de retorno percorre preferencialmente o plano de referência abaixo da linha, onde o acoplamento é mais forte. Uma divisão no plano, uma mudança de referência ou uma transição entre camadas sem via de retorno cria uma descontinuidade que pode degradar o sinal, mesmo que cada trecho tenha 50 Ω.
- Mantenha um plano de referência contínuo abaixo de uma microstrip e dos dois lados de uma stripline.
- Posicione vias de terra perto das transições entre camadas para oferecer um caminho de retorno curto.
- Não force a corrente de retorno a atravessar uma abertura, uma área de exclusão ou uma divisão no plano.
- Verifique conectores, transições de entrada, vias e stubs: frequentemente têm mais impacto do que alguns milímetros de linha dimensionada corretamente.
Limites do cálculo rápido
A calculadora de impedância de PCB fornece uma estimativa quase estática para terminação simples e uma faixa de tolerância para comparar opções. Quando a margem é pequena ou a taxa de dados é alta, ela não substitui um solver eletromagnético nem a validação do fabricante.
Uma análise mais completa é necessária quando são relevantes a máscara de solda, a rugosidade do cobre, a seção trapezoidal da trilha, a trama da fibra de vidro, as linhas diferenciais acopladas, as vias, as transições de conectores, os planos próximos, as perdas ou a dispersão com a frequência. Para uma interface padronizada, comece sempre pela impedância especificada e pelas regras oficiais de roteamento.
Lista de verificação antes da fabricação
- Escolha uma geometria disponível no empilhamento real: microstrip ou stripline.
- Associe cada linha a um plano de retorno contínuo.
- Use os dados do dielétrico após a laminação e da espessura final do cobre fornecidos pelo fabricante.
- Informe impedância desejada, tolerância, camadas e modo de terminação simples ou diferencial nas notas de fabricação.
- Solicite largura compensada, cupom de teste e relatório de medição quando a impedância for crítica.
- Verifique transições, vias e mudanças de referência separadamente.
Bibliografia
- IPC-2141A — Guia de projeto de placas de circuito de alta velocidade com impedância controlada.
- E. O. Hammerstad e Ø. Jensen — Accurate Models for Microstrip Computer-Aided Design, IEEE MTT-S, 1980.
- IPC-6012 — requisitos de qualificação e desempenho de placas de circuito impresso rígidas, complementados pelas regras e pelos cupons do fabricante.