Calculadora de impedancia de stripline
Calcula la impedancia característica de una pista stripline simétrica en un PCB. Introduce la constante dieléctrica, el ancho de pista, el grosor del cobre y la altura del dieléctrico para obtener Z0 en ohmios.
Estimador de impedancia de stripline incrustada en PCB
Fórmula de la impedancia característica de stripline
Donde:
- \(Z_0\) — impedancia característica (Ω)
- \(\varepsilon_r\) — permitividad relativa (constante dieléctrica) del sustrato
- \(W\) — ancho de la pista (mm)
- \(T\) — grosor de la pista de cobre (mm)
- \(H\) — distancia desde el centro de la pista a cada plano de tierra, es decir, la mitad de la altura total del sustrato (mm)
Esta aproximación en forma cerrada proporciona la impedancia característica de una stripline simétrica: un conductor plano de ancho \(W\) y grosor \(T\) incrustado en un dieléctrico uniforme exactamente en el punto medio entre dos planos de tierra. Una pista más ancha o más gruesa reduce la impedancia, mientras que una separación \(H\) mayor o una constante dieléctrica menor la aumenta.
Impedancia de stripline – Ejemplo de cálculo
Ejemplo: una pista de cobre de 0,2 mm de ancho y 35 µm de grosor se enruta de forma simétrica entre dos planos de tierra, con 0,2 mm de dieléctrico (\(\varepsilon_r = 4.5\), valor típico del FR-4) a cada lado.
\[ Z_0 = \frac{60}{\sqrt{4.5}} \cdot \ln\!\left( \frac{4 \times 0.2}{0.67\,\pi\,(0.2 + 0.035)} \right) = 28.28 \cdot \ln\!\left( \frac{0.8}{0.4946} \right) = 28.28 \cdot \ln(1.617) \approx 13.59~\Omega \]
Resultado: la impedancia característica es aproximadamente 13,59 Ω.
Para alcanzar el objetivo más habitual de 50 Ω con este apilamiento, tendrías que reducir el ancho de la pista o aumentar la separación a los planos de tierra.
Cómo usar la calculadora de impedancia de stripline
- Introduce la constante dieléctrica (\(\varepsilon_r\)) de tu material de sustrato — 4,3–4,5 es típico para el FR-4; usa el valor de la hoja de datos de tu laminado si está disponible.
- Introduce el ancho de la pista (\(W\)) en mm. Es el ancho de cobre configurado en tu herramienta de diseño de PCB.
- Introduce el grosor del cobre (\(T\)) en mm. El cobre estándar de 1 oz es de 0,035 mm; 0,5 oz es de 0,017 mm y 2 oz es de 0,070 mm.
- Introduce la altura del dieléctrico (\(H\)) en mm — la distancia desde la pista a cada plano de tierra. Si el grosor dieléctrico total entre los dos planos es de 0,4 mm, introduce 0,2 mm.
- Lee la impedancia característica (\(Z_0\)) en ohmios y ajusta los valores de entrada hasta alcanzar tu impedancia objetivo.
¿Qué es la impedancia de stripline?
Una stripline es una línea de transmisión en la que el conductor de señal está totalmente incrustado en una capa dieléctrica entre dos planos de referencia (tierra), normalmente en una capa interna de un PCB multicapa. Esto contrasta con el microstrip, donde la pista corre por una capa exterior con aire por encima. Como el campo queda confinado por completo dentro de un dieléctrico homogéneo, la stripline no tiene interfaz con el aire, lo que le da una impedancia característica bien definida, independiente de la frecuencia, y una excelente inmunidad al crosstalk (diafonía) y a las interferencias electromagnéticas.
La impedancia característica \(Z_0\) es la relación entre tensión y corriente de una onda que se propaga por la línea. Cuando un driver, un receptor o una pista intermedia tiene una impedancia distinta, parte de la señal se refleja en la discontinuidad. Las reflexiones provocan ringing (oscilaciones), sobrepicos, errores de temporización y falsos disparos de reloj en sistemas digitales, y ondas estacionarias y pérdida de potencia en circuitos de RF. Ajustar \(Z_0\) a la impedancia del sistema — lo más habitual es 50 Ω, o 100 Ω diferenciales para pares diferenciales — es, por tanto, un requisito básico del diseño de alta velocidad y RF.
El resultado te indica qué impedancia presentará la pista. Si está por debajo del objetivo, amplía la separación geométrica (aumenta \(H\)) o estrecha la pista; si está por encima, haz lo contrario. Ten en cuenta que en una stripline simétrica \(H\) es la mitad del grosor dieléctrico total entre los planos, por lo que la pista debe estar centrada — una pista descentrada constituye una stripline asimétrica y sigue otras ecuaciones. Para pares diferenciales enrutados como stripline, utiliza en su lugar la calculadora de impedancia diferencial de stripline, porque el acoplamiento entre las dos pistas modifica la impedancia de modo impar.
Supuestos, limitaciones y consejos prácticos
- Geometría simétrica. La fórmula asume que la pista se encuentra exactamente en el punto medio entre dos planos de tierra infinitos. Si la pista está más cerca de un plano que del otro, la impedancia real será menor que la calculada.
- Dieléctrico homogéneo. Se asume que todo el campo está en un único material con \(\varepsilon_r\) constante. Los efectos del tejido de vidrio en el FR-4 pueden desplazar la permitividad efectiva unos pocos puntos porcentuales, variando a lo largo de la pista.
- Forma cerrada aproximada. Esta ecuación es una aproximación simplificada más adecuada para pistas estrechas (aproximadamente \(W \lesssim 0.5H\) tras considerar el grosor). Los errores crecen con pistas muy anchas; para la validación final de diseños de producción, verifícalo con un solver de campos 2D o con los datos del cupón de impedancia de tu fabricante.
- Las tolerancias de fabricación importan. El ataque químico (etch-back) hace que las pistas acabadas sean trapezoidales y más estrechas que lo dibujado; el contenido de resina y el flujo del prepreg varían \(\varepsilon_r\) y \(H\). Una tolerancia de impedancia de ±10 % es una especificación de producción realista.
- Las unidades deben ser coherentes. \(W\), \(T\) y \(H\) solo aparecen como cocientes, así que cualquier unidad coherente sirve — pero mantén las tres en la misma unidad (la calculadora usa mm).
- El diseño de interconexiones no termina en Z0. Una vez fijada la impedancia de la línea, es posible que aún necesites redes de adaptación (consulta las calculadoras de adaptación de impedancia con red PI y de red de adaptación en T) para transformar entre impedancias en las terminaciones.
Materiales de sustrato habituales
| Material | \(\varepsilon_r\) típica (a ~1 GHz) |
|---|---|
| FR-4 (epoxi de vidrio estándar) | 4,3–4,6 |
| FR-4 de alto Tg / bajo Dk | 3,8–4,2 |
| Rogers RO4350B | 3,48 |
| Rogers RO4003C | 3,38 |
| PTFE (Teflón) | 2,0–2,2 |
| Isola FR408HR | 3,68 |
Confirma siempre la constante dieléctrica a tu frecuencia de operación con la hoja de datos del laminado — \(\varepsilon_r\) disminuye ligeramente con la frecuencia en los materiales de vidrio tejido.
Preguntas frecuentes
¿Cómo calculo la impedancia de stripline a mano?
Sustituye tus valores en la fórmula y resuélvela en tres pasos. Primero calcula el término del denominador \(0.67\pi(W+T)\). Luego divide \(4H\) por ese resultado para obtener el argumento del logaritmo y calcula su logaritmo natural (ln, no log₁₀). Finalmente multiplica por \(60/\sqrt{\varepsilon_r}\). Comprueba antes de empezar que \(W\), \(T\) y \(H\) están todos en la misma unidad; de lo contrario, el cociente dentro del logaritmo será incorrecto.
¿Qué es un buen valor de impedancia de stripline?
La mayoría de los sistemas de alta velocidad y RF unipolares (single-ended) tienen como objetivo 50 Ω, mientras que los pares stripline diferenciales suelen apuntar a 100 Ω diferenciales (unos 50–60 Ω de modo impar por pista, según la separación). Los valores alejados de la impedancia del sistema provocan reflexiones, así que apunta al objetivo dentro de tu tolerancia — en producción, de forma realista, ±10 % debido a las variaciones de grabado y del laminado. No existe un número "bueno" universal; debe coincidir con la impedancia del driver, del receptor y de la terminación de tu sistema.
¿Por qué mi impedancia de stripline es menor que la de la misma pista como microstrip?
Porque todo el campo está en el dieléctrico en lugar de estar parcialmente en el aire. El aire tiene \(\varepsilon_r = 1\), lo que eleva la impedancia del microstrip con una geometría idéntica. Una stripline simétrica está rodeada de sustrato con el \(\varepsilon_r\) completo, lo que da aproximadamente \(\sqrt{\varepsilon_r}\) veces más capacitancia por unidad de longitud, de modo que las mismas dimensiones de pista dan una impedancia notablemente menor. Una pista que es de 50 Ω como microstrip normalmente tendrá que ser más estrecha, o colocarse más lejos de los planos, para alcanzar 50 Ω como stripline.
¿Puedo usar mils o pulgadas en lugar de mm?
Sí — la fórmula solo utiliza los cocientes de \(W\), \(T\) y \(H\), así que cualquier unidad sirve siempre que las tres estén en la misma unidad. La calculadora etiqueta los campos en mm, así que si trabajas en mils, convierte primero (1 mil = 0,0254 mm). El grosor del cobre suele indicarse en onzas: 0,5 oz ≈ 17 µm, 1 oz ≈ 35 µm, 2 oz ≈ 70 µm (0,017, 0,035, 0,070 mm).
¿Qué ocurre si mi pista no está centrada entre los dos planos de tierra?
Entonces se trata de una stripline asimétrica (de dos planos) y esta calculadora ya no es aplicable. Una pista descentrada está más cerca de uno de los planos, lo que aumenta la capacitancia y reduce la impedancia real respecto al resultado simétrico. Como regla general, la pista "ve" con más fuerza el plano más cercano, por lo que la impedancia cae hacia el valor que produciría el plano cercano por sí solo. Para el enrutado descentrado, usa una ecuación de stripline dual o asimétrica, o mejor aún, un solver de campos 2D.
¿Cuáles son los errores más comunes al usar esta calculadora?
El error más frecuente es introducir el grosor dieléctrico total entre los planos en lugar de la altura media \(H\) — eso duplica \(H\) e infla el resultado. Otros fallos habituales: mezclar unidades (mils para el ancho, mm para la altura); usar log₁₀ en lugar de ln al calcular a mano; ignorar el grosor del cobre, que importa en pistas estrechas; e introducir el \(\varepsilon_r\) del vacío (1,0) o del aire en lugar del laminado. Verifica también que tu pista esté realmente enrutada en una capa interna entre dos planos.
¿Por qué el cupón de impedancia de mi fabricante muestra un valor diferente?
La geometría de producción difiere de tu dibujo. El etch-back hace que el cobre acabado sea trapezoidal y más estrecho en la parte superior, el contenido de resina del prepreg desplaza \(\varepsilon_r\) y \(H\), y la inclinación del tejido de vidrio varía la permitividad local a lo largo de la pista. En conjunto, esto puede producir fácilmente una desviación del 5–10 % respecto a una estimación en forma cerrada, especialmente con pistas anchas. Considera esta calculadora como un punto de partida de diseño; para la validación final, fíate del modelo de apilamiento de tu fabricante, de sus mediciones de cupones o de un solver de campos 2D como el integrado en tu herramienta de diseño.