Calculadora no navegador para a impedância característica de linhas de transmissão em placas de circuito impresso. Cobre cinco estruturas: microstrip, stripline simétrica, stripline assimétrica e pares diferenciais tanto em microstrip quanto em stripline.
Duas coisas que a maioria das calculadoras deixa de fora estão disponíveis aqui: a estrutura assimétrica em que o núcleo e o prepreg têm constantes dielétricas diferentes e a seção trapezoidal do condutor deixada pela corrosão. Ambas acontecem em qualquer placa real e ambas costumam ser ignoradas.
Qual estrutura escolher
| Estrutura | Quando usar |
|---|---|
| Microstrip | Roteamento em camada externa (L1 / inferior). Um lado fica aberto ao ar |
| Stripline (simétrica) | Roteamento em camada interna com a mesma distância aos planos superior e inferior |
| Stripline (assimétrica) | Roteamento em camada interna com distâncias ou constantes dielétricas diferentes. É assim que são quase todas as placas multicamadas reais |
| Par diferencial (microstrip) | Roteamento diferencial em camada externa: USB, LVDS, Ethernet |
| Par diferencial (stripline) | Roteamento diferencial em camada interna, quando a imunidade a ruído vem primeiro |
O que significa cada entrada
- Wtop / Wbot — largura superior e inferior do condutor. A corrosão deixa um trapézio, por isso as duas são inseridas separadamente. Para tratar a trilha como retangular, insira o mesmo valor duas vezes.
- T — espessura do condutor. Se especificar o cobre por peso, escolha a unidade oz (1 oz ≈ 35 µm).
- H — espessura do dielétrico na microstrip: distância da trilha ao plano de referência.
- B — separação entre planos na stripline simétrica: distância entre os dois planos de terra.
- H1 / H2 — na stripline assimétrica, distância da trilha ao plano superior e ao inferior.
- εr — constante dielétrica. O FR-4 fica em torno de 4,2–4,5, mas varia com o material e a frequência; use o valor da folha de dados do laminado.
- S — espaçamento entre as trilhas do par diferencial. Insira-o como o espaçamento mínimo na base, já que um trapézio é mais estreito embaixo do que em cima.
Quando o núcleo e o prepreg diferem
Uma trilha de camada interna normalmente tem núcleo de um lado e prepreg do outro. Os dois têm teor de resina diferente, portanto a constante dielétrica também é diferente: por exemplo 4,3 para o núcleo e 4,1 para o prepreg.
A maioria das calculadoras aceita um único εr, o que obriga a se contentar com uma média. A aba “Stripline (assimétrica)” desta ferramenta aceita εr1 para o lado superior e εr2 para o inferior separadamente.
O cálculo separa a capacitância acima e abaixo da trilha e depois recombina as duas metades. A constante dielétrica efetiva εeff resultante é ponderada pela capacitância no ar de cada lado, o que não equivale a uma média ponderada por 1/h. Substituí-la por uma média simples custa precisão, e o erro cresce com a assimetria.
Tratamento da seção trapezoidal
Na corrosão subtrativa o agente ataca por cima, de modo que o topo do condutor é consumido mais do que a base e a seção acaba sendo um trapézio de topo estreito. O projeto especifica um único W; o cobre acabado tem duas larguras diferentes.
Esta ferramenta recebe Wtop e Wbot separadamente e trabalha com a largura equivalente (Wtop+Wbot)/2. Também informa o fator de corrosão (T dividido pelo recorte lateral de um lado), que você pode comparar com o valor informado pelo fabricante.
Na stripline assimétrica, Wtop é aplicada à capacitância superior e Wbot à inferior, de modo que a orientação do trapézio também se reflete no resultado.
Sobre o cálculo diferencial
Além da impedância diferencial Zdiff, as abas diferenciais mostram a impedância de modo par Z0e, a de modo ímpar Z0o e a de modo comum Zcomm:
Z_diff = 2 × Z_0o Z_comm = Z_0e / 2
A impedância de modo comum é necessária ao escolher um choke de modo comum ou ao projetar sua terminação. Muitas calculadoras dão apenas o valor diferencial; esta existe para quando você precisa dos dois.
O espaçamento S é inserido como o mínimo na base e, havendo trapézio, é convertido no espaçamento equivalente S+(Wbot−Wtop)/2. A correção de espessura alarga cada trilha e estreita o espaçamento na mesma medida, de modo que o passo Wbot+S é preservado: o valor que você especifica no layout não se desvia.
Fórmulas e fontes
| Estrutura | Fórmula |
|---|---|
| Microstrip | Forma fechada de Hammerstad–Jensen mais correção de espessura |
| Stripline | Solução exata por mapeamento conforme (integrais elípticas completas) mais a correção de Wheeler |
| Stripline assimétrica | Capacitância separada acima e abaixo da trilha e depois recombinada |
| Microstrip diferencial | Forma fechada estática de Kirschning–Jansen (modo par e ímpar) |
| Stripline diferencial | Mapeamento conforme de Cohn para o modo par e ímpar |
As integrais elípticas completas são avaliadas pela média aritmético-geométrica, convergidas até o limite da precisão dupla. Nenhuma aproximação em série é usada.
Precisão e faixa de validade
A implementação é verificada por uma checagem de coerência interna: com o espaçamento S bem aberto, os modos par e ímpar devem convergir para o valor single-ended. O caso stripline coincide até o épsilon de máquina e o caso microstrip converge abaixo de 0,001 % para S/H grande. Pelo mesmo argumento, a stripline assimétrica se reduz exatamente à simétrica quando H1=H2, εr1=εr2 e a seção é retangular.
- Este é um modelo estático (baixa frequência). Dispersão, perdas no condutor, perdas dielétricas e rugosidade superficial não estão incluídas, então acima de alguns GHz o resultado fica baixo.
- Considere alguns pontos percentuais de erro no valor absoluto. Ele não coincidirá exatamente com as medições do fabricante nem com um simulador de campo.
- Entradas fora da faixa recomendada geram um aviso (W/H, T/B, S/H, εr etc.). O cálculo continua, mas confie menos no número.
- Confirme o projeto final com um simulador como o uSimmics (Qucs-S).
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