Circuits et fabrication, Conception et fabrication de circuits imprimés

Calculateur d'impédance PCB

Calculez les caractéristiques et l'impédance différentielle des circuits imprimés pour les microbandes et les lignes à ruban. Prend en charge les paires couplées par les bords avec des formules précises et des schémas visuels.

1. Sélectionner le Type de Tracé

Microstrip

Stripline

Microstrip Couplé

Stripline Couplée

2. Paramètres d'Entrée

Constante Diélectrique (μ_r)

Épaisseur du Tracé (T)

mils

Largeur du Tracé (W)

mils

Hauteur du Substrat (H)

mils

Espacement entre Tracés (S)

mils

Diagramme Microstrip

Formule

Z_{o} \approx \frac{87}{μ_{r} + 1.41} \ln (\frac{5.98 H}{0.8 W + T})

Diagramme Stripline

Formule

Z_{o} \approx \frac{60}{μ_{r}} \ln (\frac{1.9 B}{0.8 W + T})

Diagramme Microstrip Couplé

Formule

Z_{diff} \approx 2 \cdot Z_{o} (1 - 0.347 e^{- 2.9 \frac{S}{H}})

Diagramme Stripline Couplée

Formule

Z_{diff} \approx 2 \cdot Z_{o} (1 - 0.748 e^{- 1.5 \frac{S}{B}})

3. Résultats

Impédance Caractéristique (Zo)-- Ω

Avertissement : Ces calculs sont fournis à titre indicatif uniquement. Pour vos conceptions finales, utilisez toujours un logiciel de simulation professionnel.

Entrée d'impédance et contrôle de santé mentale des résultats

Une estimation d’impédance de PCB n’est aussi fiable que sa géométrie et ses entrées de matériaux. Utilisez les dimensions de la pile terminée, et non de l’illustration nominale ou du préimprégné non pressé. Gardez chaque longueur dans un système d’une unité et sélectionnez la structure correcte, car Microstrip et Stripline utilisent des distributions de champs différentes.
- Géométrie :Entrez la largeur et l’épaisseur de trace terminées plus la hauteur diélectrique dans le plan de référence correspondant ; Pour les paires différentielles, incluez l’espacement bord à bord.
- Matériel :Utilisez la constante diélectrique applicable du stratifié à la fréquence de fonctionnement, et non à une valeur FR-4 générique.
- Limites du modèle :Le masque de soudure, la rugosité du cuivre, la gravure trapézoïdale, le cuivre à proximité et le tissage peuvent déplacer le résultat si le modèle sélectionné les omet.
- Interprétation :Traitez le résultat comme une estimation de conception. Demandez au fabricant d’ajuster la géométrie de la production et de vérifier l’impédance contrôlée avec un solveur de champ approprié et un coupon de test.

Guide d'utilisation

Sélectionner le type de trace
Choisissez parmi quatre configurations de trace avec des icônes visuelles :
- Microbande : trace unique sur la couche externe au-dessus d’un plan de masse.
- Stripline : trace intégrée entre deux plans de masse.
- Microbande à couplage latéral : paire différentielle sur la couche externe.
- Ligne à ruban couplée par les bords : paire différentielle intégrée entre les plans de masse.
Entrer les paramètres
- Constante diélectrique (εr) : permittivité électrique du matériau (par exemple, 4,4 pour le FR-4).
- Épaisseur de la piste (T) : épaisseur du cuivre en millièmes de pouce (1 oz = 1,37 millièmes de pouce).
- Largeur de trace (W) : largeur du conducteur en mils.
- Hauteur du substrat (H)/Séparation des plans (B) : distance par rapport au(x) plan(s) de masse.
- Espacement des pistes (S) : apparaît pour les paires différentielles ; distance entre les pistes.
Afficher les résultats
- Impédance caractéristique (Zo) : pour les traces asymétriques.
- Impédance différentielle (Zdiff) : pour les paires couplées, affichée automatiquement pour les types à couplage de bord.

Explications de la formule

Impédance microbande à extrémité unique

Z 0 = \frac{87}{\sqrt{ε_{r} + 1.41}} • \ln (\frac{5.98 H}{0.8 W + T})

Variables :

Z₀ : Impédance caractéristique de la ligne microruban (microstrip) (Ω)
- Paramètre clé pour l'intégrité du signal unifilaire (single-ended)
- Cible typique : 50Ω pour la RF, 60-70Ω pour les signaux numériques
ε_r : Constante diélectrique du substrat
- FR-4 : 4.2-4.6 à 1MHz
- Rogers RO3003 : 3.0 à 10GHz
H : Hauteur du substrat de la piste au plan de masse (mils)
- Aussi connue sous le nom de hauteur du diélectrique
- Un H plus mince augmente Z₀ pour une même largeur de piste
W : Largeur de la piste (mils)
- Des pistes plus larges réduisent Z₀ de manière linéaire
- Largeur minimale limitée par la fabrication (généralement ≥4 mils)
T : Épaisseur de la piste (mils)
- Cuivre 1 oz : 1.37 mils (35 μm)
- Cuivre 2 oz : 2.74 mils (70 μm)

Impédance symétrique de ligne triplaque

Z 0 = \frac{60}{\sqrt{ε_{r}}} • \ln (\frac{1.9 B}{0.8 W + T})

Variables :

Z₀ : Impédance caractéristique de la ligne ruban (stripline) (Ω)
- Enfermée entre deux plans de masse pour un meilleur blindage
- Cible typique : 50Ω pour les conceptions à impédance contrôlée
ε_r : Constante diélectrique du matériau de base (core)
- Matériaux haute fréquence : la stabilité de ε_r est critique
- Exemple : Isola FR408HR : ε_r = 3.48 à 10 GHz
B : Distance totale entre les plans de masse (mils)
- Aussi appelée "séparation des plans" ou "hauteur du empilement" (stackup)
- B = 2H pour une ligne ruban symétrique avec une piste centrée
W : Largeur de la piste (mils)
- Un W plus étroit augmente Z₀ dans les conceptions de lignes ruban
- Le rapport largeur/épaisseur affecte la distribution du champ
T : Épaisseur de la piste (mils)
- Des pistes plus épaisses réduisent la résistance CC mais impactent légèrement Z₀
- Pris en compte au dénominateur pour la correction géométrique

Impédance différentielle microbande couplée par les bords

Z_{diff} = 2 • Z 0 • (1 - 0.347 • e^{- \frac{2.9 S}{H}})

Variables :

Z_diff : Impédance différentielle d'un microruban couplé (Ω)
- Cibles typiques : 100Ω (USB), 90Ω (Ethernet)
- Dépend à la fois de l'impédance unifilaire Z₀ et du facteur de couplage
Z₀ : Impédance du microruban unifilaire (single-ended) (Ω)
- Impédance de base de chaque piste de la paire
- Suppose un plan de masse infini pour l'isolation
S : Espacement entre les pistes couplées (mils)
- Crucial pour la diaphonie et le contrôle de l'impédance différentielle
- Le rapport S/H détermine le facteur de couplage exponentiel
- Règle courante : S ≥ 2W pour un minimum de diaphonie
H : Hauteur du substrat (mils)
- Affecte la pénétration du champ dans le substrat
- Un H plus faible augmente le couplage électromagnétique entre les pistes

Impédance différentielle à ligne triplaque couplée par les bords

Z_{diff} = 2 • Z 0 • (1 - 0.748 • e^{- \frac{1.5 S}{B}})

Variables :

Z_diff : Impédance différentielle d'une ligne ruban (stripline) couplée (Ω)
- Préféré pour les signaux à haute vitesse nécessitant de faibles EMI
- Valeur typique : 100Ω pour les paires différentielles DDR4
Z₀ : Impédance de la ligne ruban unifilaire (single-ended) (Ω)
- Impédance de chaque piste lorsqu'elle est isolée
- Calculée à l'aide de la formule de la ligne ruban symétrique
S : Espacement entre les pistes couplées (mils)
- Un S plus petit augmente l'impédance différentielle en raison du couplage
- Terme exponentiel : e^-1.5S/B modélise le chevauchement des champs
B : Séparation des plans (mils)
- Distance totale entre les plans de masse supérieur et inférieur
- B = 2H pour les pistes centrées dans les empilements symétriques
- Un B plus grand réduit l'effet de couplage pour un même espacement de pistes

Foire aux questions

Qu'est-ce que l'impédance caractéristique (Z₀) ?

L'impédance caractéristique est la résistance qu'un signal « perçoit » lors de son déplacement le long d'une ligne de transmission, déterminée par la géométrie de la piste et les propriétés du matériau. Une désadaptation de

Z 0

provoque des réflexions de signal, ce qui dégrade l'intégrité. Par exemple, un microruban avec

W = 10 mils

H = 6 mils

ε r = 4.4

a :

Z 0 = 87 \sqrt (ε r + 1.41) \cdot ln (5.98 \cdot H 0.8 \cdot W + T) \approx 50 Ω

Quelle est la différence entre une microbande et une ligne à ruban ?

microruban: Trace unique sur la surface avec un plan de masse en dessous.
- avantages: Facile à rouler, adapté aux conceptions à basse fréquence.
- Inconvénients: Rayonne EMI, sensible à la flexion de la planche.
Stripline: Trace prise en sandwich entre deux plans au sol.
- avantages: Meilleur blindage EMI, stable aux hautes fréquences.
- Inconvénients: Nécessite des couches internes, plus complexes à acheminer.

Comment l'espacement des pistes affecte-t-il l'impédance différentielle ?

Dans les paires couplées par les chants (edge-coupled), un espacement

S

accru réduit le couplage électromagnétique, ce qui augmente l'impédance différentielle

Z diff

. Pour les microrubans :

Z diff = 2 \cdot Z 0 \cdot (1 - 0.347 \cdot e -2.9S/H)

Lorsque $S = H$ : $Z diff \approx 2Z 0 \cdot 0.76$
Lorsque $S = 3H$ : $Z diff \approx 2Z 0 \cdot 0.97$

Quelle est la différence entre une impédance asymétrique et une impédance différentielle ?

Paramètre	Unifilaire / Single-Ended (Z₀)	Différentiel (Z_diff)
Définition	Impédance de la piste vers la masse	Impédance entre deux pistes couplées
Valeurs typiques	50Ω (RF), 60-70Ω (numérique)	100Ω (USB), 90Ω (Ethernet)
Application	Signaux unifilaires (ex. GPIO)	Signaux différentiels (ex. LVDS, PCIe)
Focalisation de conception	Largeur de piste et distance au plan de masse	Espacement des pistes et coefficient de couplage

Les paires différentielles offrent une meilleure immunité au bruit car le signal différentiel annule le bruit de mode commun. Par exemple, l'USB 3.0 nécessite avec et sur un substrat FR-4 de 6 mils.

Pourquoi choisir une microbande à couplage de bord plutôt qu'une ligne à ruban pour les paires différentielles ?

Microbande : plus facile à acheminer, mais émet des interférences électromagnétiques et est sensible à la flexion de la carte.
Ligne triplaque : Meilleur blindage, moins de diaphonie et plus stable à hautes fréquences, mais nécessite des couches internes.

Quel rôle joue la constante diélectrique (εr) dans l'impédance ?

ε r

plus élevé augmente la permittivité effective de la ligne de transmission, ce qui diminue

Z 0

. Par exemple :

FR-4 ( $ε r = 4.4$ ) : $Z 0 \approx 50 Ω$ pour $W = 10 mils, H = 6 mils$
Rogers RO3003 ( $ε r = 3.0$ ) : $Z 0 \approx 58 Ω$ pour la même géométrie

Propriétés diélectriques clés

$ε r$ : Permittivité relative, affecte le confinement du champ.
- Matériaux haute fréquence : la stabilité de $ε r$ est critique
- Exemple : Isola FR408HR : $ε r = 3.48$ à 10 GHz
Facteur de dissipation / Tangente de perte (Df) : Facteur de perte d'énergie, impacte l'atténuation du signal.
- FR-4 : Df ≈ 0.02 à 1 MHz
- Rogers RO4350B : Df = 0.004 à 10 GHz