利用Cadence PCB SI分析特性阻抗變化因素

時間 2019-12-08

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一、概要spa

　　在進行PCB SI的設計時，理解特性阻抗是很是重要的。此次，咱們對特性阻抗進行基礎說明以外，還說明Allegro的阻抗計算原理以及各參數和阻抗的關係。設計

二、什麼是特性阻抗？3d

2.1　傳送線路的電路特性對象

　　在高頻率(MHz)信號中，把傳送回路做爲電路。blog

2.1.1　電阻Rci

　　電阻R是指普通的導線帶有的歐姆電阻。R = ρ・L / S　[Ω] 　(S:橫截面面積[m2]，L:導體長[m]，ρ:金屬（銅）的電阻率[Ω*m])。在高頻頻域範圍內的話，根據表面效果和集合效果的影響，集中在導體表面電流流動，會使上面公式中的阻值變得更大。it

2.1.2　電容Cio

　　電容C是指積蓄在導體間電荷的量。C = ε（S / d）[F]　（ε:介電常數，S:導體的橫截面積，d:導體間的距離)基礎

2.1.3　電感L原理

　　電流流動的導線一定有磁通量發生，根據這個產生的自感。L=0.002S[2.3lg(2s/w+t)+0.5][μH]　S:導線長度(cm) ，W:導線寬度(cm)， t:導線厚度(cm)

2.1.4　電導G

　　物體傳導電流的本領叫作電導。對導體間的介電特性的反抗成分，表示容易電流的程度。G = 1 / R

2.2　阻抗和特性阻抗的不一樣？

　　阻抗

　　表示電路部分對交變電信號流通產生的阻力，是傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值Z = V(x)/ I(x)

　　特性阻抗

　　特徵阻抗是指信號沿傳輸線傳播時，信號看到的瞬間阻抗的值。簡單地講，無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義爲傳輸線的特性阻抗。Z0 = √( (R + jωL) / (G + jωC) ) ≒ √(L / C)(R<<ωL，G<<ωC)

三、Allegro的特性阻抗計算原理

3.1　在Layout Cross Section中阻抗計算

　　PCB SI菜單的Setup >Cross-section

　　<單線的特性阻抗計算方法>

　　1.設定層結構和材料物質。

　　2.Width欄輸入線寬的話，在Impedance欄會計算出特性阻抗。(Impedance輸入目標阻抗的話，則會計算線寬。)

　　<差分阻抗>

　　1.勾選Differential Mode

　　2.設定層結構和材料物質。

　　3.Coupling Type設定結合類型。（NONE: 不耦合，EDGE:同層耦合，BROADSIDE:鄰接層耦合)

　　4.由於設定線寬的話，肯定差分阻抗或者spacing任何一個，選擇Spacing單擊OK按鈕，差分阻抗被計算。

　　(若是想指定差分阻抗的，設定DiffZ0，調節線寬和spacing。)

　　― 參考1 ―

　　層結構計算過阻抗以後，能夠經過PCB Editor菜單的File >Export >Techfile技術文件進行保存，再利用。根據這個，能夠經過程序庫管理本公司阻抗設計的經驗技術。

3.2　在Electrical Constraints中計算阻抗

　　PCB Editor菜單的Setup >Constraint單擊Electrical constraint sets按鈕，選擇DiffPair Valuetab，而且單擊Calculator按鈕。

　　能用上述方法計算差動阻抗時，層結構Layout Cross Section是已經設定，不能修改的。

3.3　在View Trace Model Parameters中計算阻抗

　　SigXplorer菜單的Edit >Add Part，Model Type Filter選擇Interconnect，選擇想使用的傳送線路模型，界面配置。

　　1.以SigXplorer畫面的參數界面，設定層構成和材料屬性，線寬和線距。

　　2.以SigXplorer畫面的參數界面，在對象模型的地方進行單擊右鍵，選擇View Trace Parameters。

　　3.在View Trace Model Parameters界面內，Field Solution Results內Field solver cutoff frequency設定10GHz，Matrix設定Impedance，特性阻抗以矩陣形式被表示。(若是想使之表示差分阻抗的狀況， Matrix設定Diff Impedance。)

　　― 參考2 ―

　　若是在範圍內設定了分步或複數的價值，View Trace Model Parameters的Parameter Values會以列表的方式列出全部的數據。

　　― 參考3 ―

　　Field Solution Results欄，能表示如下的結果。
· 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，可以設定頻率。

四、各參數和特性阻抗Z0的關係

　　本項，使用「在3.3 View Trace Model Parameters的阻抗計算」介紹的功能，確認各參數和特性阻抗Z0的關係。

4.1　計算單線的特性阻抗Z0

　　Z0和各參數的關係以下圖，研究只變化一個參數的時候，特性阻抗Z0的變化。

　　
4.1.1　用圖表表示在線寬W和讓特性阻抗Z0的關係

　　線寬W在0.13～0.23mm範圍內，以0.01mm間隔變化了11點的時候，特性阻抗Z0的變化。

　　從這個圖表能夠看出，線寬W變大，特性阻抗變小。線寬W變大的話，導體與參考面之間的電容C和導體的電感L也變大，不過，對特性阻抗Z0的影響是由於電容C變大。默認的電容C和電感L的價值。「電容C =110.2pF, 電感L=286nH」

4.1.2　用圖表表示介電質的厚度D1和特性阻抗Z0的關係

　　介電質厚度D1在0.05～0.15mm範圍內，以0.01mm間隔使之變化了11點的時候，特性阻抗Z0的變化。

　　從這個圖表能夠看出，介電質厚度D1變大，特性阻抗Z0變大。由於參考面與導體的距離變大，導體和參考面間的電容C變小。

4.1.3　用圖表表示讓導線的厚度T和跟特性阻抗Z0的關係

　　導線的厚度T在0.03～0.04mm範圍內，以0.001mm間隔變化了11點的時候，特性阻抗Z0的變化。