在硬件設(shè)計過程中,當(dāng)原理圖設(shè)計完成后需要提交EDA團隊進行PCB的繪制,其中傳輸線阻抗的控制是重要的一項內(nèi)容。在提交PCB設(shè)計說明書時,需要對線寬/線間距做出要求;在PCB設(shè)計過程中,需要與EDA設(shè)計人員進行溝通,可能會對線寬/線間距、相鄰層厚度做適當(dāng)調(diào)整;在提交PCB制版后,廠家會結(jié)合實際生產(chǎn)條件進行阻抗調(diào)整,這也需要硬件開發(fā)人員進行確認。因此,作為硬件開發(fā)人員,需要對傳輸線阻抗的原理和計算方法有所了解。傳輸線阻抗控制主要有兩種:單端阻抗和差分阻抗。單端阻抗的阻值一般控制在50歐姆左右,差分阻抗一般控制在100歐姆左右。接下來介紹傳輸線特征阻抗的等效模型,并結(jié)合具體單板PCB設(shè)計,介紹如何利用Polar Si9000工具進行特征阻抗的計算。
一、傳輸線的等效模型
1. 等效模型及參數(shù)
圖1:傳輸線等效模型傳輸線等效模型如圖1示,其中各參數(shù)如下:1、銅層厚度(T1)2、PCB板跡線的上下線寬(W2,W1)3、絕緣層厚度(H1)4、介電常數(shù)(Er1)5、若為差分線,則還有一個參數(shù)線間距(S1)。2.參數(shù)說明
特征阻抗主要與線寬,絕緣層厚度等參數(shù)有關(guān)。線寬越大,特征阻抗越??;絕緣層越厚,相應(yīng)的特征阻抗越大。阻抗控制采用以下參數(shù):介質(zhì)常數(shù)(Er1):4.0,F(xiàn)R4材料。下線寬(W1):設(shè)計線寬(假設(shè)為W);上線寬(W2):外層走線=W-1; 內(nèi)層走線=W-0.5;銅層厚度(T1):分為表層與內(nèi)層,如下表。需電鍍填銅層銅厚(表層):電鍍填銅層基銅銅厚(OZ) | 1/3 OZ | 1/2OZ | 1 OZ |
計算銅厚(mil) | 1.7 | 2.0 | 2.7 |
非電鍍填銅層銅厚(OZ) | 1/2OZ | 1 OZ | 1.5OZ |
計算銅厚(mil) | 0.6 | 1.2 | 2.56 |
二、具體計算實例:
計算所使用的PCB模型為某低速業(yè)務(wù)板工裝測試背板,有18層,其結(jié)構(gòu)如下:表1:L1 | --------------------------------------- | 0.5oz +電鍍 |
PP 2116 4.495mil | ||
L2 | 1oz | |
CORE 0.21 8.27mil | ||
L3 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 1080+7628 9.445mil | ||
L4 | --------------------------------------- | 1oz |
CORE 0.21 8.27mil | ||
L5 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 1080+7628 9.445mil | ||
L6 | --------------------------------------- | 1oz |
CORE 0.21 8.27mil | ||
L7 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 1080+7628 9.82mil | ||
L8 | --------------------------------------- | 1oz |
CORE 0.15 5.9mil | ||
L9 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 3313 3.42mil | ||
CORE 1(0.5oz) 37.99mil | ||
PP 3313 3.37mil | ||
L10 | --------------------------------------- | 1oz |
CORE 0.15 5.9mil | ||
L11 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 1080+7628 9.8325mil | ||
L12 | --------------------------------------- | 1oz |
CORE 0.21 8.27mil | ||
L13 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 1080+7628 9.4575mil | ||
L14 | --------------------------------------- | 1oz |
CORE 0.21 8.27mil | ||
L15 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 1080+7628 9.445mil | ||
L16 | --------------------------------------- | 1oz |
CORE 0.21 8.27mil | ||
L17 | --------------------------------------- | 1oz |
PP 2116 4.495mil | ||
L18 | ---------------------------------------- | 0.5oz+電鍍 |
阻抗計算值 | ||||||
層別 | 調(diào)整線寬/線間距 | 計算值(ohm) | H1(mil) | Er1 | H2(mil) | Er2 |
L1/18 | 7.6 mil to 7 mil | 49.6 | 4.5 | 3.95 | ||
L1/18 | 7/13.5 mil to 5.9/14.6 mil | 98.3 | 4.5 | 3.95 | ||
L3/16/5/14 | 7.6 mil | 49.6 | 8.27 | 3.95 | 10.7 | 3.93 |
L3/16/5/14 | 7/13.5 mil | 98.1 | 8.27 | 3.95 | 10.7 | 3.93 |
L7/12 | 7.6 mil | 50 | 8.27 | 3.95 | 11.07 | 3.93 |
L7/12 | 7/13.5 mil | 98.7 | 8.27 | 3.95 | 11.07 | 3.93 |
L9/10 | 7.6 mil to 8 mil | 51.5 | 5.9 | 3.65 | 53.18 | 3.89 |
L9/10 | 7/13.5 mil | 99.1 | 5.9 | 3.65 | 53.18 | 3.89 |
L9的屏蔽層為: | L8/L11 | |||||
L10的屏蔽層為: | L8/L11 | |||||
其他層鄰層屏蔽 | ||||||
2.1 表層(L1/L18)單端阻抗計算:(單位:mil)
參數(shù)說明:H1為絕緣層的厚度4.5mil;W1= 7.0mil;W2= W1-1=6.0mil;T1=2. 0 mil;Er1=4;計算結(jié)果:Z0=53.99歐姆。加工后的實際阻抗應(yīng)為:Z0′=Z0-3=50.99歐姆與廠家所給出的阻抗值基本一致。2.2表層(L1/L18)差分線阻抗計算:(單位:mil)
參數(shù)說明:H1為絕緣層的厚度4.5mil;W1= 5.9mil;W2=4.9mil;S1= 14.6 mil;T1=2.2mil;Er1=4;計算結(jié)果:Z0=110.78歐姆。加工后的實際阻抗應(yīng)為:Z0′=Z0-9=101.78歐姆與廠家所給出的阻抗值基本一致。2.3內(nèi)層(L3/L10)單端阻抗計算:(單位:mil)
以L3層為例,參數(shù)設(shè)置如下:參數(shù)說明:H1為絕緣層厚度8.27mil。Er1為3.95;W1=7.6 mil;W2= W1-0.5=7.1mil;T1=1.2mil;Er2 =3.93;H2為芯板的厚度加上銅箔的厚度為10.7mil計算結(jié)果:Z0=49.91歐姆。與廠家所給出的阻抗值基本一致。2.4內(nèi)層差分線(L3/L10)阻抗計算: (單位:mil)
以L3層為例,參數(shù)設(shè)置如下:參數(shù)說明:H1為絕緣層的厚度8.27mil。Er1為3.95;W1 =7 mil;W2= W1-0.5=6.5mil;S1 =13.5 mil;T1=1.2mil;Er2 =3.93;H2為絕緣層的厚度加上銅箔的厚度,為10.7mil計算結(jié)果:Z0=98.86歐姆。與廠家所給出的阻抗值基本一致。2.5 相鄰信號層的阻抗計算
理論上相鄰信號層的阻抗計算應(yīng)該用如下模型,如第9第10兩層。但是這樣非常繁瑣,可以簡化成2.3,2.4中所述的模型,實際廠家給出的參數(shù)也證明了這一點。只要將H1,H2,Er1 ,Er1作相應(yīng)調(diào)整即可,具體參數(shù)見表1,表2中所示。三、總結(jié)
本文介紹了傳輸線特征阻抗的等效模型,并結(jié)合具體單板PCB設(shè)計,介紹了利用Polar Si9000工具計算特征阻抗的方法,希望能對大家有所幫助。審核編輯 :李倩
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