En los diseños de PCB de alta velocidad, las líneas de transmisión son estructuras esenciales que deben garantizar la integridad de la señal. La mayoría de los errores en la línea de transmisión de los circuitos electrónicos se propagan mediante la interacción, la pérdida y la distorsión, que se producen por la interferencia de los sistemas digitales y de comunicación actuales, que evolucionan rápidamente. Entre los tipos más comunes de líneas de transmisión en los diseños de PCB se encuentran dos: línea de banda y microbanda.
Pero, ¿qué son exactamente la línea de banda y la microcinta, y cómo afectan al rendimiento de la PCB? Este artículo examinará estas dos líneas de transmisión, detallará sus estructuras, principios de funcionamiento y ciertas ventajas, y finalmente llegará a una conclusión definitiva sobre cuándo usar la microcinta en lugar de la línea de banda para un rendimiento óptimo de la señal y una mayor eficiencia de fabricación.
¿Qué es Stripline?
Es una de las líneas de transmisión más convenientes en una PCB, capaz de transportar señales de alta frecuencia sin interferencias. La última parte de la palabra es más bien un término común, ya que no es más que la ruta para las señales eléctricas ocultas en las capas de la PCB. Esto la hace preferible en placas multicapa donde la integridad de la señal es un aspecto crucial.
Se utiliza comúnmente en aplicaciones con circuitos de alta velocidad y sistemas de comunicación. Gracias a sus características y al apantallamiento, la línea de banda permite soportar señales muy complejas sin pérdidas ni interferencias. Por ello, se ha utilizado ampliamente en sectores que requieren precisión y estabilidad.
Estructura de Stripline:
La configuración de la línea de banda es sencilla pero muy eficiente. El conductor forma dos capas y las recubre con dieléctrico. Entre ambas capas, existen dos planos de tierra: uno situado por encima de la estructura y el otro en la parte inferior. Estos planos de tierra actúan como blindaje para que los ruidos externos no afecten la señal. Esto permite que la señal se transmita con bastante rapidez por la placa sin interferencias externas.
Principio de funcionamiento de Stripline:
Las señales transportadas por la línea de banda se encuentran en un entorno completamente blindado. Los planos de tierra blindan el conductor, por lo que su interferencia con otros componentes es mínima. En esta configuración, la impedancia es constante y esencial para la integridad de la señal. La integridad de la señal se mantiene con condiciones de señal estables a altas frecuencias.
Ventajas de Stripline:
1. Blindaje contra otras interferencias: La mayor ventaja de una línea de banda es su excelente blindaje. Al estar completamente protegido, el conductor proporciona la máxima protección contra interferencias electromagnéticas. Cualquier circuito que funcione a alta velocidad necesita inmunidad contra interferencias de niveles altos, ya que incluso pequeñas interferencias pueden afectar su rendimiento.
2. Impedancia balanceadaAl ser una construcción tipo sándwich de interior a interior, la línea de banda probablemente tendrá una impedancia balanceada. Esto significa que la señal no debería sufrir perturbaciones durante su transmisión por la PCB, con mínima posibilidad de distorsión o pérdida de señal.
Desventajas de Stripline:
1. Complejidad en la fabricaciónLa microcinta sería la más compleja de fabricar en comparación con la línea de banda. Un mayor número de capas, junto con la presencia de un conductor cerca del plano de tierra, aumenta la complejidad y, por lo tanto, el coste.
2. Restricciones planaresDebido a que la línea de banda es estriada, es más voluminosa en una PCB que, por ejemplo, un cable coaxial. Esto, a su vez, tendería a hacer que las placas sean más gruesas en general, lo que puede convertirse en un problema en diseños que priorizan la compacidad.
¿Qué es Microstrip?
La línea de transmisión de microbanda se ha utilizado ampliamente en PCB debido a su diseño simple y eficiente de alta frecuencia. A diferencia de la línea de banda, una microbanda se encuentra en la superficie de la PCB, por lo que es fácil de fabricar e implementar. Además, se utiliza ampliamente en circuitos de RF y dispositivos de microondas gracias a su diseño simple y económico.
Su diseño es económico, ocupa menos espacio y es fácil de producir; por lo tanto, se utiliza ampliamente. Transporta una señal de alta frecuencia y es muy popular en sistemas de comunicación, radares y electrónica de alta velocidad.
Configuración de Microstrip:
Su diseño es mucho menos complejo que el de la línea de banda. En la microcinta, un conductor se coloca sobre una capa superficial dieléctrica, tocando el plano de tierra inferior solo con uno de sus lados. La microcinta tiene una configuración abierta, donde la parte superior del conductor queda expuesta al aire, a diferencia de cualquier otra línea de transmisión. Este plano de tierra invertido dirige la señal, pero aumenta la exposición de este lado, lo que la protege mucho menos de posibles ruidos externos.
Principio de funcionamiento de la microbanda:
En el caso de la microbanda, la señal viaja por la superficie superior del conductor. Debido a la presencia de un solo plano de tierra en la parte inferior, los campos electromagnéticos que rodean el conductor están expuestos a interferencias del entorno exterior. La señal entra al aire a través de dimensiones parciales y, por lo tanto, está expuesta a fuentes de interferencia. Sin embargo, con el funcionamiento a alta frecuencia y los bajos costos, la simplicidad hace posible este diseño.
Ventajas de la microbanda:
1. Económico:Se guarda el stock de todas las materias primas y capas, con lo que se reduce el coste de producción.
2. Disponible para FabricaciónDebido a que se necesitan menos capas, la microcinta es menos complicada y más accesible de fabricar en comparación con la línea de tiras.
Desventajas de la microbanda:
1. Altamente susceptible a interferencias:La microbanda es muy susceptible a interferencias del exterior ya que tiene una resistencia casi insignificante.
2. Pobre equilibrioEste cable necesita un blindaje adecuado. Por lo tanto, la impedancia no es constante. Por consiguiente, la calidad de la señal se reducirá.
Línea de microcinta vs. línea de banda: un análisis comparativo
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Aspecto
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línea de banda
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microcinta
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Variación estructural
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La impedancia de súper blindaje está garantizada porque el blindaje se proporciona colocando dos planos de tierra intercalados entre líneas de banda intercaladas por dos capas de material dieléctrico en ambos lados.
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Se monta una microbanda sobre la capa dieléctrica, pero solo contacta con un lado del plano de tierra. Por lo tanto, su diseño es mucho más simple, pero es más susceptible a las interferencias.
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Comparación del principal operativo
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Este es un diseño de línea de banda: las señales están encerradas y, por lo tanto, protegidas de fuentes externas de interferencia. Válido principalmente para uso en alta frecuencia.
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Las señales de microbanda recorren la superficie. El apantallamiento parcial reduce su resistencia a las interferencias, por lo que su rendimiento se verá afectado en entornos sensibles.
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Característica Impedancia
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Si bien la línea de banda y la microbanda tienen una impedancia definida, la configuración de línea de banda, al estar equilibrada, da resultados uniformes.
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La impedancia de la microbanda varía. La microbanda no puede controlar la impedancia a altas frecuencias. Por lo tanto, se combinan con ella guías de onda coplanares CPW.
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Pérdidas en la transmisión
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La configuración de línea de banda es la mejor para reducir la pérdida en comparación con la configuración de microbanda.
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Debido a que las guías de ondas coplanares CPW reducen la pérdida de una señal, confinan los campos electromagnéticos mejor que las microbandas tradicionales.
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Eficiencia e integridad de la señal
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Stripline proporciona una excelente integridad de señal hasta diseños multicapa razonablemente complejos.
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Las líneas de transmisión coplanares son una solución intermedia que mejora la integridad de la señal sin la complicación de las líneas de banda.
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Escenarios de uso de la aplicación
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La línea de banda se aplica en circuitos digitales de alta velocidad y PCB multicapa para minimizar el ruido y así garantizar la integridad de la señal.
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La microbanda es aún más propensa a interferencias. Se utiliza principalmente cuando la facilidad de diseño y el costo son cruciales en diseños de RF, sistemas inalámbricos y circuitos más simples.
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Diferencias de ruta
Técnicas de enrutamiento de microbandas
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Enrutamiento de microbanda estándar
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El enrutamiento de superficie a veces se utiliza para diseños simples de alta frecuencia.
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Pares diferenciales de ruta
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Enruta las señales para reducir el ruido. Se utiliza ampliamente en aplicaciones de alta velocidad.
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Enrutamiento de microbanda integrado
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Está integrado en la PCB con inmunidad contra interferencias.
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Estilos de enrutamiento de líneas de banda
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Enrutamiento de línea de banda estándar
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Está muy extendido en PCB multicapa en los que la señal debe estar protegida.
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Enrutamiento de líneas de banda coplanares
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Introduce varios planos de tierra para un mejor rendimiento.
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Enrutamiento de líneas de banda acopladas al costado
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El espacio es muy bajo, pero la señal de alta velocidad debe enviarse.
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Problemas de diseño para líneas de banda y microbandas
Factores de control de impedancia
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Constante dieléctrica (εr)
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Muestra variaciones en la impedancia de naturaleza dieléctrica aunque los valores de εr son más insignificantes.
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Constante dieléctrica práctica (εeff)
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Esta impedancia varía según la estructura de la capa.
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Ancho y grosor de la traza
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Una traza más amplia y gruesa modificará la trayectoria de la señal y, por tanto, la impedancia.
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Técnica de minimización de pérdidas
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Para Stripline
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Todo esto debe realizarse con el mejor diseño de trazas posible.
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Para microbanda
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Las pérdidas se deben minimizar mediante una conexión a tierra adecuada y una exposición reducida.
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Consideraciones de diseño de PCB multicapa
Por lo tanto, esto requeriría la gestión de la calidad de la señal en la línea de banda y la microbanda de una PCB multicapa. La calidad puede gestionarse mediante el ancho de las pistas, el apilamiento de capas y la adaptación de impedancia.
Conclusión
Existen dos: la línea de banda, mejor diseñada y de fabricación más compleja, pero con mayor integridad de señal si se utiliza como blindaje, y la microbanda, más sencilla y económica, pero con una susceptibilidad significativamente mayor a las interferencias. Esto dependerá de la aplicación, el coste y el rendimiento.
