Calculadoras de impedancia de líneas de transmisión de PCB

Los diseños de alta velocidad no funcionarán correctamente sin un cálculo preciso de la impedancia de la línea de transmisión. Las pistas que transmiten señales de alta velocidad de flanco actuarán como líneas de transmisión, incluso cuando sus longitudes sean cortas. Las buenas prácticas de diseño de alta velocidad dictan que, como mínimo, las pistas se diseñen cerca de la impedancia requerida para garantizar unas pérdidas de retorno mínimas.

Para obtener un resultado preciso de impedancia siempre es posible calcular la impedancia a mano, pero las fórmulas de impedancia más precisas son muy difíciles de resolver manualmente. Para ayudar a los diseñadores a iniciarse en la planificación, hemos reunido un conjunto de calculadoras de impedancia de líneas de transmisión que aplican las fórmulas analíticas más precisas. Una vez que tengas una estimación inicial del ancho de pista que necesitarás para lograr una impedancia precisa, puedes ir un paso más allá y utilizar el mejor editor de apilado o stackup con una calculadora de impedancia integrada para determinar el ancho de pista requerido.

Cómo funcionan las calculadoras de impedancia de líneas de transmisión

Todas las calculadoras de impedancia de líneas de transmisión operan sobre principios similares: determinan un valor de impedancia para una determinada geometría de la línea de transmisión. En cuanto a cómo funcionan estas calculadoras, la impedancia de una línea de transmisión en una PCB se puede calcular de cuatro formas:

1. Utilizando los parámetros R, L, C, G de las ecuaciones de Telegrapher para calcular la impedancia de la línea de transmisión.
2. Construyendo un modelo a partir de los datos experimentales de la impedancia vs. la geometría de la pista y utilizándolo para calcular la impedancia.
3. Utilizando una técnica analítica que proporcione la impedancia sin dispersión ni pérdidas basada en las ecuaciones de Maxwell, como el método de Wheeler empleado en las ecuaciones de Wadell.
4. Utilizando una calculadora de campo para resolver numéricamente el campo electromagnético de las ecuaciones de Maxwell y, seguidamente, usando ese campo para determinar la impedancia.

Las calculadoras de impedancia de líneas de transmisión que puedes encontrar en internet utilizan el segundo método (para calculadoras basadas en IPC-2141) o el tercero (para cálculos más precisos a partir de los primeros principios). Si no tienes acceso a una calculadora de campos, el enfoque del tercer método anterior te proporcionará los resultados más precisos, siempre que dispongas de la aplicación de cálculo adecuada.

El conjunto de calculadoras de impedancia de líneas de transmisión indicado a continuación aplica el tercer método para proporcionar resultados razonablemente precisos en un rango bajo de GHz. Las páginas indicadas a continuación te dan acceso a una calculadora gratuita que puedes usar para obtener una estimación razonablemente buena de la impedancia de la línea de transmisión antes de usar una aplicación más avanzada.

Cuatro calculadoras de impedancia gratuitas

Puede acceder y utilizar gratis las calculadoras de impedancia que te indicamos a continuación. Estas calculadoras devolverán un valor de impedancia para pares de valores de ancho de pista, espesor del sustrato y peso del cobre. Para utilizarlas en el diseño de una impedancia objetivo, basta con probar con varios valores geométricos para el ancho de la pista hasta que la calculadora devuelva la impedancia objetivo.

• Calculadora de impedancia para pistas microstrip
• Calculadora de impedancia de línea de banda
• Calculadora de impedancia para pistas diferenciales microstrip
• Calculadora de impedancia de línea de banda de traza diferencial

Las geometrías estándar compatibles con estas calculadoras de impedancia de pistas se muestran en el siguiente gráfico. Estas disposiciones de líneas de transmisión son geometrías de pista estándar aplicadas en el software de diseño de PCB. Si se selecciona una disposición coplanar, puedes hacer una aproximación a este estilo de trazado de pistas estableciendo al menos unas 10 milésimas de pulgada, siempre que el espesor dieléctrico sea de unas 10 milésimas de pulgada o menos.

Los modelos utilizados en estas calculadoras de impedancia de líneas de transmisión se basan en las ecuaciones de Wadell, que son conocidas por proporcionar valores muy precisos de impedancia sin pérdidas. Aunque no son totalmente exactos debido a ciertos factores de los materiales reales, son útiles para obtener una estimación rápida de la impedancia de la pista para las geometrías anteriores. Los principales factores que limitan la precisión de las calculadoras de impedancia a frecuencias progresivamente más altas son:

• La rugosidad del cobre.
• Las pérdidas dieléctricas y la dispersión.
• Los efectos parasitarios, concretamente la capacitancia parásita.

Cuando la frecuencia operativa se vuelve demasiado grande, el resultado que obtienes de una calculadora como las indicadas anteriormente no coincidirá con los valores reales que encontrarás en una PCB. Para una señal digital, esto se refiere al caso en que el flanco ascendente de una señal en la línea de transmisión se vuelve muy rápido y la mayor parte del contenido de la señal se concentra en el rango de los GHz. Para las señales de RF, esto se vuelve importante en el rango de GHz más alto (WiFi por encima de 5,8 GHz). El siguiente vídeo describe algunos de los factores que hacen que las calculadoras de impedancia de las pistas de PCB sean menos precisas a frecuencias más altas.

Obtén mayor precisión con el Layer Stack Manager (gestor de apilado de capas) de Altium

Las calculadoras mostradas anteriormente son un buen punto de partida para ayudarte a determinar rápidamente el ancho de pista aproximado necesario para alcanzar la impedancia objetivo en tu apilado de capas. Sin embargo, incluso las fórmulas analíticas de alta precisión utilizadas para crear esas calculadoras tienen sus límites por encima de un cierto rango de frecuencia. Aquí es donde debes utilizar una herramienta más avanzada dentro de tu editor de PCB para crear el apilado de capas.

Para obtener resultados mucho más precisos, utiliza el gestor de apilado de capas (Layer Stack Manager) en Altium Designer®. Esta utilidad se incluye de serie dentro del editor de PCB en Altium Designer e incorpora una calculadora de campos electromagnéticos para los cálculos de impedancia. La herramienta de cálculo de impedancias proporciona resultados muy precisos para disposiciones de líneas de transmisión simples, diferenciales y coplanares, incluidas las líneas de banda (o striplines) asimétricas. Los resultados pueden aplicarse a redes o grupos de redes como regla de diseño para garantizar una impedancia uniforme en todas las interconexiones.

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