利用Cadence PCB SI分析特性阻抗变化因素

1、概要

　　在进行PCB SI的设计时，理解特性阻抗是非常重要的。这次，我们对特性阻抗进行基础说明之外，还说明Allegro的阻抗计算原理以及各参数和阻抗的关系。

2、什么是特性阻抗？

2.1　传送线路的电路特性

　　在高频率(MHz)信号中，把传送回路作为电路。

                   
2.1.1　电阻R

　　电阻R是指普通的导线带有的欧姆电阻。R = ρ・L / S　[Ω] 　(S:横截面面积[m2]，L:导体长[m]，ρ:金属（铜）的电阻率[Ω*m])。在高频频域范围内的话，根据表面效果和集合效果的影响，集中在导体表面电流流动，会使上面公式中的阻值变得更大。

2.1.2　电容C

　　电容C是指积蓄在导体间电荷的量。C = ε（S / d）[F]　（ε:介电常数，S:导体的横截面积，d:导体间的距离)

2.1.3　电感L

　　电流流动的导线必定有磁通量发生，根据这个产生的自感。L=0.002S[2.3lg(2s/w+t)+0.5][μH]　S:导线长度(cm) ，W:导线宽度(cm)， t:导线厚度(cm)

2.1.4　电导G

　　物体传导电流的本领叫做电导。对导体间的介电特性的反抗成分，表示容易电流的程度。G = 1 / R

2.2　阻抗和特性阻抗的不同？

　　阻抗

　　表示电路部分对交变电信号流通产生的阻力，是传输线上输入电压对输入电流的比率值Z = V(x)/ I(x)

　　特性阻抗

　　特征阻抗是指信号沿传输线传播时，信号看到的瞬间阻抗的值。简单地讲，无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗。Z0 = √( (R + jωL) / (G + jωC) ) ≒ √(L / C)(R<<ωL，G<<ωC)

3、Allegro的特性阻抗计算原理

3.1　在Layout Cross Section中阻抗计算

　　PCB SI菜单的Setup >Cross-section

　　<单线的特性阻抗计算方法>

　　1.设定层结构和材料物质。

　　2.Width栏输入线宽的话，在Impedance栏会计算出特性阻抗。(Impedance输入目标阻抗的话，则会计算线宽。)

　　<差分阻抗>

　　1.勾选Differential Mode

　　2.设定层结构和材料物质。

　　3.Coupling Type设定结合类型。（NONE: 不耦合，EDGE:同层耦合，BROADSIDE:邻接层耦合)

　　4.因为设定线宽的话，确定差分阻抗或者spacing任何一个，选择Spacing单击OK按钮，差分阻抗被计算。

                             
　　(如果想指定差分阻抗的，设定DiffZ0，调节线宽和spacing。)

　　― 参考1 ―

　　层结构计算过阻抗之后，可以通过PCB Editor菜单的File >Export >Techfile技术文件进行保存，再利用。根据这个，可以通过程序库管理本公司阻抗设计的经验技术。

3.2　在Electrical Constraints中计算阻抗

　　PCB Editor菜单的Setup >Constraint单击Electrical constraint sets按钮，选择DiffPair Valuetab，并且单击Calculator按钮。

　　能用上述方法计算差动阻抗时，层结构Layout Cross Section是已经设定，不能修改的。

3.3　在View Trace Model Parameters中计算阻抗

　　SigXplorer菜单的Edit >Add Part，Model Type Filter选择Interconnect，选择想使用的传送线路模型，界面配置。

                         
　　1.以SigXplorer画面的参数界面，设定层构成和材料属性，线宽和线距。

　　2.以SigXplorer画面的参数界面，在对象模型的地方进行单击右键，选择View Trace Parameters。

　　3.在View Trace Model Parameters界面内，Field Solution Results内Field solver cutoff frequency设定10GHz，Matrix设定Impedance，特性阻抗以矩阵形式被表示。(如果想使之表示差分阻抗的情况， Matrix设定Diff Impedance。)

　　― 参考2 ―

　　如果在范围内设定了分步或复数的价值，View Trace Model Parameters的Parameter Values会以列表的方式列出所有的数据。

　　― 参考3 ―

　　Field Solution Results栏，能表示以下的结果。
· Capacitance
· Die. Conductance
· Inductance
· Linear Resistance
· Modal Velocity
· Admittance
· Impedance
· Diff Impedance
· Near-End Coupling
· Modal Delay
　　在Capacitance/ Die. Conductance/ Inductance/ Linear Resistance中，能够设定频率。

4、各参数和特性阻抗Z0的关系

　　本项，使用「在3.3 View Trace Model Parameters的阻抗计算」介绍的功能，确认各参数和特性阻抗Z0的关系。

4.1　计算单线的特性阻抗Z0

　　Z0和各参数的关系如下图，研究只变化一个参数的时候，特性阻抗Z0的变化。

　　
4.1.1　用图表表示在线宽W和让特性阻抗Z0的关系

　　线宽W在0.13～0.23mm范围内，以0.01mm间隔变化了11点的时候，特性阻抗Z0的变化。
 

                                 
　　从这个图表可以看出，线宽W变大，特性阻抗变小。线宽W变大的话，导体与参考面之间的电容C和导体的电感L也变大，不过，对特性阻抗Z0的影响是因为电容C变大。默认的电容C和电感L的价值。「电容C =110.2pF, 电感L=286nH」

4.1.2　用图表表示介电质的厚度D1和特性阻抗Z0的关系

　　介电质厚度D1在0.05～0.15mm范围内，以0.01mm间隔使之变化了11点的时候，特性阻抗Z0的变化。

　　从这个图表可以看出，介电质厚度D1变大，特性阻抗Z0变大。因为参考面与导体的距离变大，导体和参考面间的电容C变小。

4.1.3　用图表表示让导线的厚度T和跟特性阻抗Z0的关系

　　导线的厚度T在0.03～0.04mm范围内，以0.001mm间隔变化了11点的时候，特性阻抗Z0的变化。
                                     

　　从这个图表可以看出，导线的厚度T变大，特性阻抗Z0一点点变小。导线的厚度T变大的话，与导体间的电容C和导体的电感L也变大，不过，对特性阻抗Z0的影响因为是电容C变大。

4.1.4　用图表表示跟介电常数ε1和特性阻抗Z0的关系

　　介电常数ε1在3.5～4.5范围内，以0.1间隔变化了11点的时候，特性阻抗Z0的变化。

　　从这个图表可以看出，介电常数ε1变大，特性阻抗Z0变小。因为介电常数ε1变大，导体和参考面间的电容C变大。

4.1.5　用图表表示介电常数ε2和特性阻抗Z0的关系

　　介电常数ε2在1～5范围内，以0.5间隔变化了11点的时候，特性阻抗Z0的变化。

　　从这个图表可以看出，介电常数ε2变大，特性阻抗Z0变小。因为介电常数ε2变大，导体和参考面间的电容C变大。

4.2　差分阻抗和各参数的关系

　　下图作为标准的层构成的时候，计算只做一个参数变化的时候，差分阻抗的变化。

4.2.1　线间距S和差动阻抗Zdiff的关系

　　线间距S在0.12～0.22mm范围内，以0.01mm间隔变化了11点的时候，差分阻抗Zdiff的变化。

                                    
　　从这个图表可以，线间距S变大，差分阻抗Zdiff变大。因为线间距S变大，差分线路间的电容C变小。

4.2.2、导线的厚度T和跟差分阻抗Zdiff的关系

　　导线的厚度T在0.03～0.04mm范围内，以0.001mm间隔变化了11点的时候，差分阻抗Zdiff的变化。

　　从这个图表可以看出，导线的厚度T变大，差分阻抗Zdiff变小。导线的厚度T变大，导体与参考面间和差分线路间的电容C及导体的电感L也变大，对差分阻抗Zdiff的影响是因为是导体和参考面间和差分线路间的电容C变大。同时，与单线比的话，差分线路间产生的电容，也使差分阻抗Zdiff也变大。

4.2.3　介电常数ε2和差分阻抗Zdiff的关系

　　介电常数ε2在1～5范围内，以0.5间隔使之变化了11点的时候，差分阻抗Zdiff的变化。

　　从这个图表可以看出，介电常数ε2变大，差分阻抗Zdiff变小。因为介电常数ε2变大，导体与参考面间和差分线路间的电容C变大。同时，与单线比的话，差分线路间上产生的电容，也使差分阻抗Zdiff变大。