PCB Design15 de enero de 20268 min de lectura

Guía de diseño de impedancia Microstrip: de la teoría al diseño de PCB

Una guía práctica para diseñar trazas de microtiras de impedancia controlada en PCB. Incluye las ecuaciones de Hammerstad-Jensen, la selección de materiales, las tolerancias de fabricación y cómo verificar el diseño.

Por qué importan los 50 Ω

El estándar de impedancia de 50 Ω surgió de un compromiso entre el manejo de la potencia (que favorece una menor impedancia) y la pérdida de inserción (que favorece una mayor impedancia de alrededor de 77 Ω). Para el trabajo con radiofrecuencia, 50 Ω es el estándar casi universal. Para vídeo, 75 Ω. Para algunas señales lógicas, el diferencial de 100 Ω es común.

Cuando la impedancia de la traza no coincide con la fuente o la carga, se producen reflexiones. En corriente continua y frecuencias bajas, esto es inofensivo: las señales viajan con la suficiente lentitud como para que el transitorio muera antes de causar daños. Pero más o menos por encima de:

f_{critical} = \frac{v_p}{20 \cdot l}

donde *v*es la velocidad de propagación (~0.6c en FR4) y *l* es la longitud de la traza, el control de la impedancia es importante. Para una traza de 10 cm en FR4, esto es aproximadamente 900 MHz.

Las ecuaciones de Hammerstad-Jensen

La mayoría de las calculadoras en línea utilizan las ecuaciones simplificadas del IPC-2141, que tienen una precisión de aproximadamente el ± 5%. Para la fabricación, utilice Hammerstad-Jensen (1980) con las correcciones de Wadell, que logran una precisión de ± 1%.

Para una traza estrecha (W/H < 1):

Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\varepsilon_{eff}}} \ln\left(\frac{8H}{W_e} + \frac{W_e}{4H}\right)

Para una traza ancha (W/H ≥ 1):

Z_0 = \frac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_{eff}} \left[\frac{W_e}{H} + 1.393 + 0.667 \ln\left(\frac{W_e}{H} + 1.444\right)\right]}

donde *W*es la anchura efectiva (teniendo en cuenta el espesor del cobre) y*μ*eff es la constante dieléctrica efectiva.

Selección de materiales

Material	τ	tan δ	Caso de uso
Estándar FR4	4,2—4,5	0,020	Digital general, RF de <1 GHz
FR4 de alta frecuencia	3,9—4,1	0,015	DC—3 GHz
Rogers 4003C	3,38 ±0,05	0,0021	RF, microondas a 10 GHz
Rogers 4350B	3,48 ±0,05	0,0037	RF, microondas a 10 GHz
PTFE (PTFE/vidrio)	2,10—2,55	0,0009	Microondas, mmWave
Alúmina 96%	9,6	0,0001	RF de alta potencia, híbridos

La constante dieléctrica del FR4 varía con la frecuencia (4,5 a 100 MHz → 4,1 a 10 GHz) y con el tejido del vidrio. Para diseños de RF críticos de más de 1 GHz, especifique un laminado DK controlado.

Tolerancias de fabricación

Un fabricante típico de PCB mantiene estas tolerancias:

Ancho de traza: ± 0,05 mm (2 mil) para el estándar, ± 0,025 mm (1 mil) para la impedancia controlada
Grosor dieléctrico: ± 10% estándar, ± 5% para apilamientos con impedancia controlada
Grosor del cobre: ± 10%

Combinados, producen una variación de impedancia de aproximadamente el ± 10% en un pedido estándar y del ± 5% en un pedido con impedancia controlada. Si necesitas más de un ± 5%, tienes que especificarlo de forma explícita y esperar un coste mayor.

Reglas prácticas de diseño

Apunte a 50 Ω para RF, diferencial de 100 Ω para tecnología digital de alta velocidad. En una placa FR4 estándar de 1,6 mm con cobre de 1 onza:

50 Ω de extremo único ≈ 2,8 mm de ancho de trazo
Diferencial de 100 Ω ≈ 0,12 mm de separación entre trazas de 1,8 mm

Mantenga los planos de referencia sólidos. Los huecos, ranuras o divisiones debajo de una traza de impedancia controlada cambian la impedancia local de forma impredecible. Dirige las trazas de radiofrecuencia alejándolas de los bordes de la placa y de los conectores que puedan estar cortados cerca del plano de referencia. Usa las vías alrededor de las trazas de radiofrecuencia. En el caso de las microtiras, añade vías de tierra cada λ /20 a cada lado de la traza para suprimir las resonancias entre placas paralelas. Haga coincidir las discontinuidades. Los conectores, las vías y las almohadillas crean discontinuidades de impedancia. Compensa con una reducción del tamaño de las pastillas (antialmohadilla) o anula ligeramente el plano de referencia a través de las transiciones.

Verificación

Usa nuestra [calculadora de impedancia microstrip] (/calculators/rf/microstrip-impedance) para calcular las dimensiones de tus trazas y, a continuación, confirma con la calculadora de impedancia apilada de tu casa de juntas. Para la producción, solicita un cupón de prueba: una traza independiente con la misma geometría que se pueda medir con un TDR (reflectómetro en el dominio temporal) para comprobar la impedancia real antes del montaje.

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