Impedancia de microstrip: desde la teoría hasta el diseño de PCB

Por qué es importante 50 Ω

Entonces, ¿por qué 50 Ω? No es un número mágico que cayó del cielo. En el pasado, los ingenieros se dieron cuenta de que los cables coaxiales tenían que equilibrar dos necesidades contrapuestas: gestionar la energía sin formación de arcos (lo que requiere una baja impedancia) y mantener bajas las pérdidas (que requieren una impedancia más alta, de alrededor de 77 Ω para el dieléctrico aéreo). Se decidieron por 50 Ω como el punto óptimo, y se mantuvo. Ahora está en todas partes en el trabajo de radiofrecuencia: equipos de prueba, conectores, amplificadores, antenas. Si, por el contrario, estás grabando vídeo, verás 75 Ω. La gente digital de alta velocidad a menudo usa pares diferenciales de 100 Ω.

Esto es lo que pasa con los desajustes de impedancia: en DC y bajas frecuencias, a nadie le importa. La señal se mueve lo suficientemente despacio como para que los reflejos se estabilicen antes de que causen problemas. Pero a medida que las frecuencias suben, esos reflejos comienzan a ser penetrantes. Hay un umbral aproximado en el que debes empezar a preocuparte:

En esta ecuación, *v*es la velocidad de propagación (normalmente alrededor de 0,6 °C en FR4) y l es la longitud de la traza. Calcula los números para obtener una traza de 10 cm en el FR4 estándar y obtendrás unos 900 MHz. Por encima de esa frecuencia, el control de impedancia deja de ser opcional.

La mayoría de los ingenieros no diseñan correctamente la impedancia en sus primeras placas y se arrepienten más adelante cuando, a las 2 de la mañana, antes de una demostración, solucionan misteriosos problemas de integridad de la señal.

Las ecuaciones de Hammerstad-Jensen

Encontrará muchas calculadoras en línea que utilizan las ecuaciones simplificadas del IPC-2141. Sirven para hacer estimaciones aproximadas, con una precisión de quizás ± 5%. Pero si estás fabricando algo que importa, necesitas las fórmulas de Hammerstad-Jensen de 1980, refinadas con las correcciones de Wadell. Con ellas se consigue una precisión del ± 1%, lo que, de todos modos, es casi lo mejor que cabría esperar teniendo en cuenta las tolerancias de fabricación.

Los cálculos se dividen en dos casos dependiendo de la relación de aspecto del trazo. Para trazos estrechos en los que W/H < 1:

Y para trazas anchas en las que el W/H sea igual o igual a 1:El término *W*es la anchura efectiva, es decir, el hecho de que las trazas de cobre tienen un grosor real, no la abstracción de altura cero que pretendemos tener en los modelos simples. Y *μ*eff es la constante dieléctrica efectiva, lo cual es complicado porque las líneas de campo no se encuentran completamente en el sustrato. Algunas de ellas se encuentran en el aire por encima de la traza, por lo que la constante dieléctrica efectiva termina en un punto entre la posición entre el material de la placa y 1,0 (aire).

Selección de materiales

La elección del material de sustrato es una de esas decisiones que parece sencilla hasta que se analizan las opciones. Esto es lo que normalmente eliges:

El FR4 estándar es barato y está disponible en todas partes, por lo que todo el mundo lo usa para material digital y RF de baja frecuencia. Sin embargo, su constante dieléctrica varía en función de la frecuencia: es posible que veas que 4,5 a 100 MHz desciende a 4,1 por 10 GHz. El patrón de tejido del vidrio también crea variaciones locales en la constante dieléctrica que pueden alterar la impedancia si no tienes cuidado. Para cualquier cosa por encima de 1 GHz en la que realmente te importe el rendimiento, elige un laminado Controlled-DK. Los materiales Rogers son la opción habitual para trabajos serios de radiofrecuencia. Cuestan más, pero la constante dieléctrica es estable y la tangente de pérdida es mucho mejor.

Los materiales a base de PTFE son lo que buscas cuando trabajas en microondas o ondas milimétricas y las pérdidas te están matando. Los sustratos de alúmina se utilizan en circuitos híbridos y de RF de alta potencia, donde se necesita el rendimiento térmico.

Tolerancias de fabricación

Hablemos de lo que realmente puede lograr una fábrica de PCB, porque esto determina si sus cuidadosos cálculos de impedancia significan algo en el mundo real.

Un fabricante típico mantendrá estas tolerancias en un pedido estándar:

• Ancho de traza: ±0.05 mm (±2 mil) es normal. Si pagas más por controlar la impedancia, es posible que obtengas ±0,025 mm (±1 mil).
• Grosor dieléctrico: el ± 10% es el estándar. Los apilamientos controlados por impedancia permiten reducir el rendimiento hasta un ± 5%.
• Grosor del cobre: un ± 10% es prácticamente lo que encontrarás en todas partes.

Si se combinan todas estas variaciones (no se anulan, sino que se suman en cuadratura), se obtiene una variación de impedancia de aproximadamente ± 10% en un orden estándar. Paga por el control de impedancia y podrás reducirla hasta un ± 5%. ¿Necesitas algo mejor que eso? Tendrás que especificarlo de forma explícita, ofrecer cupones de prueba y esperar que el precio suba significativamente. En realidad, la mayoría de las aplicaciones no necesitan más del ± 5%, aunque la gente se preocupa más de lo necesario.

Reglas prácticas de diseño

Aquí es donde la teoría se combina con el diseño real de la placa que estás haciendo en tu herramienta CAD a medianoche.

Apunte a 50 Ω para trabajos con radiofrecuencia y a un diferencial de 100 Ω para tecnologías digitales de alta velocidad. Estos estándares tienen una buena razón: sus conectores, equipos de prueba y diseños de referencia los asumen todos ellos. En una placa FR4 típica de 1,6 mm con cobre de 1 onza, se obtiene un ancho de trazo de aproximadamente 2,8 mm para un solo extremo de 50 Ω. Para pares diferenciales de 100 Ω, lo ideal es tener un espacio de 0,12 mm entre trazas de 1,8 mm. Estos son números aproximados: usa una calculadora adecuada para tu apilamiento real. Mantén tus planos de referencia. Este plano confunde a mucha gente. Cualquier hueco, ranura o división en el plano de tierra por debajo de la traza de impedancia controlada cambia la impedancia local de formas que son difíciles de predecir y más difíciles de corregir una vez que la placa vuelve a funcionar. Dirige las trazas de radiofrecuencia alejándolas de los bordes de la placa, donde el plano de referencia podría cortarse o interrumpirse. Si tiene que cruzar una división, hágalo a 90° para minimizar la distancia sin una ruta de retorno. Usa las vías alrededor de las trazas de radiofrecuencia. Para las líneas de microcinta, es mejor colocar las vías de tierra a ambos lados de la traza, con una separación de aproximadamente λ /20. Esto suprime los modos de guía de ondas de placas paralelas, que pueden irradiarse y provocar el acoplamiento entre las trazas. Es una de esas cosas que no aparecen en las simulaciones simples, pero que importan en el mundo real, especialmente por encima de unos pocos GHz. Adapte sus discontinuidades. Cada conector que se abre, mediante una transición y una almohadilla de componentes, crea una discontinuidad de impedancia. Una vía, por ejemplo, tiene capacitancia con respecto a tierra e inductancia con respecto al cañón; en general, tiene un aspecto inductivo. Puedes compensarlo reduciendo el tamaño de las pastillas (creando una antialmohadilla en el plano del suelo) o controlando cuidadosamente el tamaño de los huecos circundantes mediante transiciones. El objetivo es hacer que la impedancia de la vía coincida con la impedancia de la traza, incluso si la geometría tiene un aspecto extraño. Algunos ingenieros añaden pequeñas secciones de trazos más anchos o más estrechos para evitar las discontinuidades. Funciona, pero se requiere simulación o mucha experiencia para hacerlo bien.

Verificación

Una vez que hayas hecho todos los cálculos y hayas diseñado el tablero, aún no has terminado. Usa nuestra Calculadora de impedancia de microbandas para calcular las dimensiones de las trazas para tu apilamiento específico. Luego, y esto es importante, confirma esas dimensiones con la calculadora de impedancias de apilamiento de tu casa de juntas. Las diferentes fábricas utilizan diferentes núcleos y materiales preimpregnados, y los grosores dieléctricos reales pueden variar de lo que se suponía.

Para series de producción, solicita cupones de prueba. Se trata de trazas independientes en el panel con la misma geometría que las trazas críticas controladas por impedancia. Después de la fabricación, puede medirlos con un TDR (reflectómetro en el dominio del tiempo) para verificar la impedancia real antes de comprometerse a ensamblar cientos de placas. Un TDR muestra exactamente dónde están las discontinuidades de impedancia y qué tan graves son. Es la diferencia entre adivinar y saber.

La mayoría de las casas de juntas que realizan trabajos con impedancia controlada proporcionarán las mediciones del TDR de sus cupones como parte del servicio. Si no ofrecen este servicio, busca una fábrica diferente para trabajar con radiofrecuencia.