Ancho de traza de Stripline vs. Microstrip para la impedancia deseada: ¿Son lo mismo?

De vez en cuando, recibo una pregunta interesante sobre enrutamiento, diseño de disposición, integridad de señal, o temas similares. Intento responder a estas cuando no estoy demasiado ocupado, pero a veces una de estas preguntas capta mi atención y siento la necesidad de compartir la respuesta con más diseñadores. Sin más preámbulos, aquí hay una pregunta que recibí sobre la anchura requerida para la impedancia controlada en stripline vs. microstrip.

Tengo una consulta sobre microstrip y stripline. ¿Es posible usar el mismo valor de T, H y W de la línea de transmisión para microstrip y stripline? Quiero que la impedancia para el stripline sea de alrededor de 32 ohmios.

La pregunta parecía un poco vaga al principio, pero la interpreté de la siguiente manera: Si determino el mejor ancho para un microstrip, ¿puedo usar el mismo ancho para un stripline, dado el mismo peso de cobre y distancia al plano de referencia? Este tipo de pregunta me gusta porque vuelve a algunos aspectos importantes y a menudo pasados por alto del enrutamiento y diseño de trazas. Profundicemos un poco más en esto ya que plantea algunas áreas divertidas del diseño de alta velocidad y control de impedancia en PCBs.

La Respuesta Corta: ¡Mira las Líneas de Campo!

No, no puedes usar el mismo ancho para dos geometrías de línea de transmisión diferentes y esperar tener la misma impedancia. Podemos ver esto matemática y conceptualmente. Desde una perspectiva conceptual, las pistas en un microstrip emiten su campo hacia la máscara de soldadura y el aire por encima del dieléctrico. La fuerza del campo en estas regiones es diferente a la que se encuentra en el dieléctrico, por lo que no podemos esperar razonablemente que esas líneas de campo produzcan el mismo patrón de contorno y corriente de desplazamiento en el plano de referencia que una línea de campo que apunta directamente a través del dieléctrico hacia el plano de referencia. Esta variación en el valor de Dk alrededor de la pista hace que las señales en un microstrip tengan una velocidad que está determinada por una constante dieléctrica efectiva, en lugar del valor de Dk crudo del sustrato de PCB.

En una stripline, el campo eléctrico solo pasa a través del dieléctrico; no hay aire. En otras palabras, la constante dieléctrica es simplemente el valor de Dk; no hay un "Dk efectivo" de la misma manera que en un microstrip. Esto significa que, para una línea de campo dada que pasa de una stripline a través del dieléctrico, esperaríamos una corriente de desplazamiento mayor en los planos de referencia, por lo tanto, esperaríamos que la impedancia característica medida entre la stripline y el plano de referencia fuera menor.

Resulta que las líneas de campo son mucho más útiles de lo que podrían parecer en los datos de simulación. Si quieres obtener una mirada más profunda, ayuda observar las ecuaciones que describen la impedancia característica de ambos tipos de líneas de transmisión.

La Respuesta Larga: ¡Mira las Ecuaciones de Stripline vs. Microstrip!

Para ver realmente cómo varía la impedancia de un stripline y un microstrip con el ancho, necesitamos comenzar con la impedancia característica de estas líneas de transmisión. Echa un vistazo a estos artículos para encontrar estas ecuaciones:

• Aclarando Calculadoras y Fórmulas de Impedancia de Trazas
• Calculadoras y Fórmulas de Impedancia de Stripline Simétrico

Para ver realmente cómo se comparan los anchos de traza para estas líneas de transmisión, necesitamos trazar la impedancia característica vs. ancho de traza. Esto se puede visualizar fácilmente si variamos el ancho (realmente, la relación W/H en estas ecuaciones) mientras mantenemos constantes todos los demás parámetros.

La imagen a continuación muestra la parte real calculada de la impedancia característica de un microstrip y una stripline en FR4 (Dk = 4.4, tangente de pérdida = 0.02). He asumido una placa de 8 capas con igual espaciado entre las capas dieléctricas por simplicidad, y el peso del cobre se estableció en 0.5 oz/pie cuadrado. La stripline también es simétrica con respecto a los planos de referencia. Aquí, me he centrado en la impedancia real ya que la parte imaginaria es muy pequeña.

Claramente, no podemos usar el mismo ancho para un microstrip y una stripline y esperar ver la misma impedancia característica, incluso si todo lo demás se mantiene constante. Desde aquí, podemos ver que, para la constante dieléctrica y el apilado de capas que he usado, un microstrip de ~16 mil tendrá aproximadamente la misma impedancia que una stripline de ~7 mil. Las curvas anteriores no deben confundirse con la impedancia de entrada, que depende de la longitud de la línea y de la impedancia de entrada en la carga, que a su vez depende del esquema de terminación.

Si quieres ver qué sucede en una situación más realista, necesitamos considerar la impedancia de entrada ya que esto es lo que una señal verá al ser inyectada desde el controlador hacia la línea de transmisión. El gráfico a continuación muestra la magnitud de la impedancia de entrada para un microstrip y una stripline de 1 m de longitud a un ancho de banda de 1 GHz (350 ps de tiempo de subida para una señal digital) con una capacitancia de carga de 10 pF con terminación paralela (shunt) de 50 Ohms.

Este gráfico debería ilustrar la importancia de la terminación en las líneas de transmisión. Hay un rango de anchuras donde la impedancia puede situarse por encima o por debajo del valor objetivo. De nuevo, no podemos simplemente usar el ancho determinado para un microstrip y esperar ver la misma impedancia de entrada para una stripline, y viceversa. Curiosamente, para este arreglo particular, la stripline alcanza ~50 Ohms en un estrecho rango de anchuras. Si la impedancia de entrada de la carga o la impedancia de terminación cambian, no tendremos la misma condición.

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