Skip to content
RFrftools.io
PCB

Calculadora de Impedancia Controlada PCB

Calcula las dimensiones de pistas para lograr impedancias controladas de 50Ω, 75Ω u otras en PCB.

Loading calculator...

Fórmula

Surface:Z0=(87/√(εr+1.41))×ln(5.98h/(0.8W+t))Surface: Z₀ = (87/√(εr+1.41)) × ln(5.98h/(0.8W+t))

Referencia: IPC-2141 Controlled Impedance Circuit Boards

Z₀— Impedancia característica (Ω)
εr— Constante dieléctrica
W— Ancho de traza (m)
h— Altura del sustrato (m)
t— Grosor del cobre (m)

Cómo Funciona

La calculadora de impedancia controlada calcula el ancho de traza de la PCB para determinar la impedancia característica del objetivo (50/75/100 ohmios), algo esencial para las interfaces de RF, las interfaces digitales de alta velocidad y la validación de la integridad de la señal. Los ingenieros de hardware y los diseñadores de placas de circuitos impresos la utilizan para evitar los reflejos de la señal, que degradan los diagramas oculares entre un 15 y un 40% cuando el desajuste de impedancia supera el 10%.

Según el IPC-2141A y el «diseño digital de alta velocidad» de Johnson/Graham, la impedancia de la traza depende de la geometría (ancho W, altura H por encima del plano de referencia) y de la constante dieléctrica (Er). Las ecuaciones de Hammerstad-Jensen alcanzan una precisión del 1 al 2% en comparación con la simulación electromagnética 3D para relaciones W/H de entre 0,1 y 10. En el caso de una microbanda de superficie, el Z0 aumenta aproximadamente 6 ohmios por cada 0,1 mm de reducción del ancho de trazo en el FR4 estándar.

El Er del FR4 varía de 4,6 a 1 MHz a 4,2 a 5 GHz (modelo de dispersión de Djordjevic-Sarkar). Este cambio del 9% modifica la impedancia calculada entre un 4 y un 5%, por lo que se prefiere el Rogers RO4350B (Er = 3,48 +/- 0,05, estable a 10 GHz) para diseños superiores a 2 GHz. La tolerancia estándar es de +/ -10%; las de RF avanzadas alcanzan un +/ -5%.

En frecuencias en las que la longitud de la traza supera la lambda/10, la falta de coincidencia de impedancia provoca reflexiones. Una traza de 50 ohmios que impulsa una carga de 75 ohmios produce un coeficiente de reflexión del 20% (VSWR 1, 5:1, pérdida de retorno de 14 dB). Según la «ingeniería de microondas» de Pozar, esto reduce la eficiencia de la transferencia de energía en un 4% y crea ondas estacionarias que aumentan la diafonía entre 3 y 6 dB en las trazas adyacentes.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe una microtira de 50 ohmios para un PA WiFi de 2,4 GHz en un FR4 JLC de 4 capas (1,6 mm en total, 0,1 mm preimpregnado a tierra L2, 1 onza de cobre).

Solución según el IPC-2141A:

  1. Parámetros: H = 0,1 mm (preimpregnado), T = 35 um (1 oz), Er = 4,3 a 2,4 GHz
  2. Relación W/H objetivo para 50 ohmios: aproximadamente 1.9 en FR4
  3. Ancho de traza calculado: W = 0.19 mm x H = 0.19 mm (7.5 mils)
  4. Er efectivo: 3.4 (campo parcialmente en el aire por encima de la traza)
  5. Retraso de propagación: 6,14 ps/mm (frente a 7,1 ps/mm de la línea de banda)
Verificación: JLC indica una tolerancia de +/- 10%. Con un valor de +10% (55 ohmios), VSWR = 1, 10:1, pérdida de retorno = 26 dB, aceptable para la mayoría de las aplicaciones de RF. Nota fabulosa: «Microstrip L1 de ancho = 0,19 mm, Z0 = 50 ohmios +/ -10% para IPC-2141A».

Consejos Prácticos

  • ✓Verifique que el apilamiento sea perfecto antes del diseño: JLC, PCBway y OSHpark publican los espesores exactos del Er y de las capas. Los supuestos genéricos del FR4 provocan errores de impedancia del 5 al 10%.
  • ✓Agregue el cupón de impedancia TDR al paquete Gerber; sin él, Fab no puede verificar el cumplimiento y las fallas no se pueden rastrear según el IPC-TM-650 2.5.5.7.
  • ✓Utilice la regla de 3 W (espaciado = 3 veces el ancho de la traza) entre las pistas de impedancia controlada para mantener la diafonía por debajo de -40 dB según la sección 4.2.6 del IPC-2141A.

Errores Comunes

  • ✗El uso de un valor Er de 1 MHz (4,6) en frecuencias de GHz provoca un error de impedancia del 8 al 12%. Utilice siempre un Er con corrección de frecuencia: 4,4 a 1 GHz, 4,2 a 5 GHz por modelo de Djordjevic-Sarkar.
  • ✗Haciendo caso omiso del efecto del grosor del cobre: al pasar de 0,5 onzas a 2 onzas, la impedancia cambia de 3 a 5 ohmios debido al aumento efectivo del ancho, según la tabla 4-1 del IPC-2141A.
  • ✗Enrutar trazas de impedancia controladas sobre planos de tierra divididos: la discontinuidad aumenta la impedancia entre un 15 y un 30% y la pérdida de retorno se degrada entre 6 y 10 dB (Johnson/Graham, capítulo 8).

Preguntas Frecuentes

La impedancia controlada garantiza que las pistas de PCB tengan una impedancia característica específica (normalmente 50 ohmios para RF, diferencial de 100 ohmios para USB/PCIe). Según el IPC-2141A, esto evita las reflexiones de la señal cuando la longitud de la traza supera los 10 lambda/10 (aproximadamente 15 mm a 1 GHz en el FR4). La impedancia incontrolada provoca una degradación del diagrama ocular del 15 al 40% en las interfaces de alta velocidad.
50 ohmios equilibran el manejo de potencia (máximo a 30 ohmios) y la pérdida mínima (a 77 ohmios) por derivación de Pozar. Es compatible con los conectores RF estándar (SMA, tipo N) y con los equipos de prueba. En el caso de los cables coaxiales, los 50 ohmios proporcionan el 86% de la capacidad máxima de alimentación y el 93% de la atenuación mínima, un compromiso de ingeniería óptimo adoptado por los estándares MIL-STD e IEEE.
La constante dieléctrica (Er) establece directamente la impedancia: Z0 es proporcional a 1/sqrt (Er_eff). El FR4 (Er = 4,3) requiere un ancho de trazo de 0,19 mm para 50 ohmios; el RO4350B de Rogers (Er = 3,48) requiere 0,24 mm. Los materiales Rogers mantienen la Er entre un +/ -1,5% y 10 GHz, frente a la variación del +/ -8% del FR4, por lo que están especificados para aplicaciones de más de 2 GHz según el IPC-4101.
Sí, el Er disminuye un 9% de 1 MHz a 5 GHz en el FR4 (modelo Djordjevic-Sarkar), lo que cambia la impedancia entre un 4 y un 5%. Además, el efecto piel aumenta la pérdida de conductor de 0,1 dB/cm a 1 GHz a 0,5 dB/cm a 5 GHz, lo que aumenta la impedancia de forma efectiva por la tangente de pérdida. Utilice cálculos con corrección de frecuencia para diseños de más de 500 MHz.
Esta calculadora utiliza ecuaciones de Hammerstad-Jensen (precisión del 1 al 2% según la validación IEEE MTT-S). Para geometrías complejas (mediante transiciones, pliegues o líneas acopladas), utiliza solucionadores de campo 2.5D como Polar SI9000 o HyperLynx o herramientas gratuitas como AppCAD. La simulación EM 3D (CST, HFSS) es necesaria para los diseños con una tolerancia de +/ -3% según el apéndice A del IPC-2141A.

Shop Components

As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.

PCB Manufacturing (JLCPCB)

Affordable PCB fabrication with controlled impedance options

JLCPCB →

FR4 Copper Clad Laminate

FR4 laminate sheets for custom PCB prototyping

Amazon →

Thermal Paste

Thermal interface material for component heat management

Amazon →

Calculadoras relacionadas

RF

Impedancia Microstrip

Calcula la impedancia característica de líneas de transmisión microstrip para PCBs de RF y microondas.

PCB

Par Diferencial

Calcula el ancho y separación de pistas en par diferencial para lograr la impedancia diferencial deseada.

PCB

Resistencia de Pista

Calcula la resistencia eléctrica de una pista de cobre en PCB en función de sus dimensiones y temperatura.

PCB

Ancho de Pista por Corriente

Calcula el ancho mínimo de pista PCB necesario para conducir una corriente dada según IPC-2221.