Calculadora de impedancia de microstrip

Una desviación de 2 Ω está dentro de la tolerancia típica de ±10 % de la fabricación estándar de impedancia controlada en FR-4, así que este resultado en realidad es normal y aceptable para la mayoría de las aplicaciones. Las causas más comunes son la variación de la constante dieléctrica en el FR-4 (los lotes pueden variar ±0.2 en εr, lo que se traduce en cerca de 1-2 Ω de desplazamiento de impedancia), la tolerancia de grabado (el ancho de pista suele controlarse a ±0.5 mil, lo que cambia la impedancia 1-3 Ω para geometrías típicas) y la presencia de máscara de soldadura sobre la pista si no se despeja. Si se requiere una tolerancia más estrecha, usa un laminado premium con un εr especificado, solicita al fabricante una tolerancia de impedancia de ±5 % (precio de gama premium) y especifica el despeje de la máscara de soldadura sobre las pistas de impedancia controlada.

Como regla práctica, las pistas más largas que aproximadamente un décimo de la longitud de onda de la señal a la frecuencia de operación deben tratarse como líneas de transmisión y diseñarse con la impedancia característica correcta. Por debajo de esa longitud, la pista se comporta como una inductancia y una capacitancia de elemento concentrado, y no es necesaria la adaptación de impedancia. Para una señal de 1 GHz, la longitud de onda en microstrip de FR-4 es de unos 100 mm (10 cm), así que las pistas más largas que 10 mm necesitan impedancia controlada. Para una señal de 10 GHz, el umbral baja a 1 mm. Para señales digitales de alta velocidad, usa el tiempo de subida como referencia: una señal con un tiempo de subida de 200 ps tiene energía hasta cerca de 2.5 GHz, y las pistas más largas que unos pocos milímetros pueden causar reflexiones e interferencia entre símbolos. Por eso los diseños de DDR5 y PCIe 5.0 requieren un control riguroso de longitud e impedancia en toda la placa.

La impedancia baja a medida que la pista se hace más ancha respecto al sustrato y sube a medida que el sustrato se hace más grueso. Para bajar la impedancia, ensancha la pista o acércala al plano de masa (dieléctrico más delgado); para subir la impedancia, estrecha la pista o aumenta la altura del sustrato. La constante dieléctrica también importa: una constante dieléctrica mayor baja la impedancia para la misma geometría. Esta calculadora te permite ajustar el ancho, la altura y la constante dieléctrica y ver la impedancia resultante, de modo que puedas iterar hacia un objetivo como 50 ohmios. Para diseños críticos, confirma la geometría final con un solucionador de campo 2D, ya que este modelo de forma cerrada ignora el espesor de la pista y la máscara de soldadura.

Los 50 ohmios son el compromiso histórico entre la mínima atenuación (alrededor de 77 ohmios en una línea coaxial de aire) y la máxima capacidad de potencia (alrededor de 30 ohmios). Se convirtió en el estándar industrial en RF y microondas, por lo que los conectores, instrumentos y componentes comerciales están diseñados para ese valor. Los pares diferenciales suelen apuntar a 100 ohmios diferenciales, que son 50 ohmios por conductor a masa.

La permitividad efectiva describe cómo se reparte el campo eléctrico entre el sustrato y el aire sobre la pista. Como parte del campo viaja por el aire (donde la permitividad relativa es 1) en vez de hacerlo por completo a través del sustrato, la constante dieléctrica efectiva es un valor intermedio entre 1 y la constante dieléctrica del sustrato. Una relación ancho-altura mayor mantiene más campo dentro del sustrato, así que la permitividad efectiva se acerca más a la constante dieléctrica del sustrato. También fija la velocidad de propagación de la señal, que es la velocidad de la luz dividida entre la raíz cuadrada de la permitividad efectiva.