如何按照差分阻抗規(guī)范來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)

差分阻抗的概念和實(shí)現(xiàn)有時(shí)都會(huì)被誤解。此外，達(dá)到特定差分阻抗的通道設(shè)計(jì)通常以隨意的方式完成。有時(shí)，我回顧舊設(shè)計(jì)并思考我如何設(shè)計(jì)走線(xiàn)以達(dá)到差分阻抗規(guī)范，然后我意識(shí)到如果我對(duì)差分阻抗有更好的理解，也許我可以做得更好，并為自己省去一些麻煩。

差分阻抗的概念本身是一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，它不能完全捕捉差分走線(xiàn)中每個(gè)信號(hào)的行為。差分阻抗是另一個(gè)重要值的捷徑，奇模阻抗，反之亦然。那么我們需要針對(duì)哪些設(shè)計(jì)以及如何確保信號(hào)在接收器處正確解碼？繼續(xù)閱讀以更深入地了解如何根據(jù)差分阻抗規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)以及它對(duì)您的設(shè)計(jì)意味著什么。

差分阻抗定義

差分阻抗與差分信號(hào)的基本特性有關(guān)。所有差分信號(hào)都由接收器組件解釋為差分信號(hào)（因此稱(chēng)為“差分”）。考慮差分信號(hào)的一種方式是：它是一種傳播的電磁干擾，涉及兩個(gè)不同的信號(hào)，理想情況下沿著一對(duì)走線(xiàn)一起發(fā)送。當(dāng)我們說(shuō)“電磁干擾”時(shí)，我們指的是兩條軌跡周?chē)碾妶?chǎng)和磁場(chǎng)分布。畢竟，這就是 PCB 中導(dǎo)體的全部意義所在：引導(dǎo)和傳輸布局周?chē)碾姶艌?chǎng)。

因此，看看這對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾如何沿兩條跡線(xiàn)傳播是很有趣的。為此，我們需要：

• 電磁場(chǎng)所經(jīng)歷的傳輸線(xiàn)阻抗
• 這種干擾的傳播常數(shù)

如果您知道這些值之一，那么您就可以計(jì)算出另一個(gè)值。設(shè)計(jì)特定差分阻抗的重點(diǎn)是確保我們注入通道的電磁場(chǎng)被解釋為在通道負(fù)載端接收到的相同（或幾乎相同）的電磁場(chǎng)。

這里應(yīng)該有趣的是如何使用每個(gè)跟蹤生成的字段。我的意思是，我們關(guān)心兩個(gè)信號(hào)（它們的場(chǎng)）之間的差異，或者它們的總和，這取決于接收器的功能。因此，就 Telegrapher 方程而言，我們想看看這兩個(gè)信號(hào)的差異的傳播，這是一個(gè)數(shù)學(xué)要求很高的主題，需要定義跡線(xiàn)之間的互電容和電感。

差分阻抗公式

計(jì)算差分阻抗是計(jì)算另一個(gè)重要量的練習(xí)，即奇模阻抗。當(dāng)兩條走線(xiàn)作為差分對(duì)布線(xiàn)并用差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，單條走線(xiàn)的阻抗將是奇模阻抗值。

根據(jù)奇模阻抗定義差分阻抗。

不幸的是，對(duì)于差分阻抗，或更具體地說(shuō)，奇模阻抗，沒(méi)有很多好的分析模型。如果您查看 Brian C. Wadell 的傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)手冊(cè)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)確定一對(duì)微帶線(xiàn)的阻抗需要使用 70 個(gè)公式（參見(jiàn)第 4.5 節(jié)）。這不是印刷錯(cuò)誤，它確實(shí)需要總計(jì)計(jì)算一對(duì)微帶線(xiàn)的奇?；蚺寄Ｗ杩沟?70 個(gè)公式。如果您想使用共面排列或不對(duì)稱(chēng)軌跡，您將需要更少的公式，但您需要計(jì)算橢圓積分，這是我從未做過(guò)的事情，并且會(huì)采用像 MATLAB 或 Mathematica 這樣的應(yīng)用程序。

您可以直接從麥克斯韋方程中獲得互感或互電容，盡管這些結(jié)果是許多研究論文的主題，而且結(jié)果并不總是那么容易使用。它們往往涉及一組具有多個(gè)參數(shù)的丑陋公式。這就是為什么您會(huì)在網(wǎng)上看到如此多的差分阻抗計(jì)算器僅使用 IPC-2141A 公式的原因，這些公式是使用較少公式的近似值。

您應(yīng)該使用特征阻抗還是奇模阻抗？

簡(jiǎn)而言之，奇模阻抗是用于端接的值。關(guān)于奇模阻抗，我希望很久以前就有人告訴我一些非常重要的事情需要注意：

• 走線(xiàn)的奇模阻抗并不總是與走線(xiàn)的特征阻抗相同。

如果你翻轉(zhuǎn)這個(gè)，我們可以重述上面的內(nèi)容如下：

• 特定奇模阻抗所需的走線(xiàn)寬度并不總是與特定特征阻抗所需的走線(xiàn)寬度相同。

換句話(huà)說(shuō)，您的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的差分阻抗規(guī)范列出了特定的差分阻抗，您需要通過(guò)設(shè)計(jì)奇模阻抗來(lái)達(dá)到這一點(diǎn)。因此，通常為接收器的并聯(lián)端接引用的值通常是奇模阻抗的兩倍，但走線(xiàn)的每一端只關(guān)心每條走線(xiàn)的奇模阻抗，而不必關(guān)心差分阻抗。

根據(jù)間距和電介質(zhì)厚度，您可能能夠?qū)⑻卣髯杩棺呔€(xiàn)寬度設(shè)置為接近與奇模阻抗走線(xiàn)寬度相同的值。

計(jì)算寬度和間距

如果您計(jì)算出走線(xiàn)達(dá)到特征阻抗目標(biāo)（即50 歐姆）所需的寬度，然后將該寬度插入差分阻抗計(jì)算器中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)您不會(huì)總是得到有用的間距結(jié)果; 間距可能太?。?4 密耳）并且可能超出了非常薄的電介質(zhì)的制造能力。相反，對(duì)于較厚的電介質(zhì)，間距最終可能會(huì)非常大。實(shí)際上，在2 層標(biāo)準(zhǔn)厚度 PCB 上，在標(biāo)準(zhǔn)核心上，微帶達(dá)到 50 歐姆阻抗所需的走線(xiàn)寬度約為 105 歐姆。為了使單個(gè)跡線(xiàn)具有等于特征阻抗的奇模阻抗，您的場(chǎng)解算器會(huì)告訴您需要將跡線(xiàn)分開(kāi)大量。如果您使用場(chǎng)解算器，您會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)間距約為 10 英寸時(shí)，它可能會(huì)停止收斂！顯然，這也沒(méi)有用。

一般來(lái)說(shuō)，有許多走線(xiàn)間距和寬度組合可以讓您達(dá)到差分阻抗規(guī)格。您真正設(shè)計(jì)的是奇模阻抗，而不是差分阻抗，差分阻抗只是定義奇模阻抗的規(guī)范。那么，我們不禁要問(wèn)，在沒(méi)有公式的情況下，我們?nèi)绾未_定奇模阻抗以及客觀(guān)上“最佳”的走線(xiàn)寬度和間距組合？

比較差分微帶線(xiàn)的寬度和間距

要了解走線(xiàn)寬度和間距的哪種組合會(huì)提供所需的差分阻抗，讓我們看一些仿真結(jié)果。在下面的示例中，我將運(yùn)行以下過(guò)程

• 計(jì)算差分微帶線(xiàn)對(duì)中特定走線(xiàn)寬度所需的走線(xiàn)間距，目標(biāo)是達(dá)到 100 歐姆的目標(biāo)差分阻抗。
• 掃描多個(gè)電介質(zhì)厚度值（到微帶參考平面的距離）。
• 對(duì)于每個(gè)電介質(zhì)厚度值，請(qǐng)注意 50 歐姆特性阻抗所需的走線(xiàn)寬度。

我將在 Altium Designer 中使用層堆棧管理器執(zhí)行這些操作，以便用戶(hù)可以復(fù)制它們。在下圖中，我展示了不同走線(xiàn)寬度和電介質(zhì)厚度的差分微帶線(xiàn)所需的一組間距值（下面標(biāo)記為 H，針對(duì) 100 歐姆差分阻抗目標(biāo)和 Dk = 4.8 繪制，不考慮色散或粗糙度）。這里的想法是確定給定寬度所需的間距，目標(biāo)是達(dá)到特定的差分阻抗值。

圖 1. 間距和寬度值對(duì)將在不同厚度的 Dk = 4.8 基板上提供 100 歐姆的差分阻抗。

請(qǐng)注意，為清楚起見(jiàn)，y 軸采用對(duì)數(shù)刻度。我們可以為其他 Dk 值和差分阻抗值生成一組新曲線(xiàn)。這些曲線(xiàn)應(yīng)該說(shuō)明電介質(zhì)厚度的作用；隨著微帶線(xiàn)與其接地平面的距離增加，達(dá)到 100 歐姆阻抗所需的寬度與間距比對(duì)接地距離的依賴(lài)程度降低（參見(jiàn) 60 密耳和 45 密耳阻抗曲線(xiàn)）。

上面顯示的寬度值與 50 歐姆特性阻抗所需的值相比如何？下圖顯示了這些值。這是一個(gè)很好的線(xiàn)性模型，它說(shuō)明了在較寬的走線(xiàn)寬度處發(fā)生的飽和；當(dāng)軌跡很寬時(shí)，寬厚比變得恒定。

圖 2. Dk = 4.8 襯底上特性阻抗為 50 歐姆時(shí)的電介質(zhì)厚度與走線(xiàn)寬度的關(guān)系。

現(xiàn)在根據(jù)上面顯示的特征阻抗和走線(xiàn)寬度/間距對(duì)的值，我們可以確定導(dǎo)致 50 歐姆奇模阻抗的走線(xiàn)寬度也產(chǎn)生 50 歐姆特征阻抗的間距。

圖 3. 不同厚度的 Dk = 4.8 基板上 100 歐姆差分阻抗的間距和寬度比對(duì)。

這個(gè)圖可能看起來(lái)很復(fù)雜，但它有一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋。每條曲線(xiàn)在 y 軸上與 1 相交的間距值將導(dǎo)致差分對(duì)中的走線(xiàn)寬度等于走線(xiàn)不是差分對(duì)的一部分時(shí)的走線(xiàn)寬度，同時(shí)仍提供相同的阻抗。換句話(huà)說(shuō)，隔離的走線(xiàn)和成對(duì)的走線(xiàn)在每個(gè)電介質(zhì)厚度的特定間距值下將具有相同的寬度和 50 歐姆阻抗。

不幸的是，奇模阻抗和特性阻抗永遠(yuǎn)不相等；這只會(huì)發(fā)生在大間距限制中，或者當(dāng)成對(duì)被無(wú)限遠(yuǎn)的距離分開(kāi)時(shí)！y = 1 的值是此圖上的漸近線(xiàn)。如果電介質(zhì)很?。?15 密耳），那么對(duì)于差分對(duì)中給定的走線(xiàn)間距，您將更接近于使走線(xiàn)寬度重合。

舉個(gè)例子，如果我們采用圖 3 中 5 密耳的電介質(zhì)，我們計(jì)算奇模阻抗的走線(xiàn)寬度，我們將得到 6.184 密耳。如果我然后使用它來(lái)計(jì)算特征阻抗，我會(huì)得到 55 歐姆的值，或者只有 10% 的偏差。這是在某些信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中您可以接受的阻抗偏差的最高端。例如，USB SuperSpeed 更寬容，允許差分阻抗（因此奇模阻抗）有很大的變化。

使用間距和走線(xiàn)寬度為您帶來(lái)優(yōu)勢(shì)

您可能想知道，具有同時(shí)適用于特征阻抗和奇模阻抗的單一走線(xiàn)寬度真的那么重要嗎？這有三個(gè)很好的理由：

• 它將設(shè)計(jì)差分通道的問(wèn)題從涉及 2 個(gè)變量的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為涉及 1 個(gè)變量：間距。
• 當(dāng)您僅設(shè)計(jì)適用于差分和單端阻抗的單一跡線(xiàn)寬度時(shí)，制造商更容易確保受控阻抗。根據(jù)您設(shè)計(jì)中的容差，您可以使用一種寬度來(lái)滿(mǎn)足單端和差分規(guī)格的容差。
• 您可以在路由差分通道時(shí)解耦走線(xiàn)，甚至非?？拷邮掌?，而且您不必?fù)?dān)心反射，因?yàn)閺慕邮掌骺?，走線(xiàn)的每一端都將匹配每個(gè)端口的輸入阻抗.

請(qǐng)注意，這在較薄的電介質(zhì)上更容易，在厚電介質(zhì)上，特征跡線(xiàn)寬度和奇模跡線(xiàn)寬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不會(huì)幾乎相同。如果您想在使用較厚的電介質(zhì)時(shí)有更多的回旋余地，您還可以選擇另一種樣式，例如共面差分對(duì)。

當(dāng)您需要使用定義的差分阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)和布線(xiàn)時(shí)，請(qǐng)使用Altium Designer ? 中最好的一組 PCB 布線(xiàn)、布局和仿真功能。集成的設(shè)計(jì)規(guī)則引擎和層堆棧管理器為您提供設(shè)計(jì)特定差分對(duì)阻抗所需的一切，并在 PCB 中快速布線(xiàn)。當(dāng)您完成設(shè)計(jì)并希望將文件發(fā)布給您的制造商時(shí)，Altium 365 ?平臺(tái)可以輕松地協(xié)作和共享您的項(xiàng)目。

編輯：fqj