PCB设计中阻抗的详细计算方法.docx
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PCB设计中阻抗的详细计算方法
∙PCB设计中阻抗的详细计算方法-差分阻抗为例
日期：
2010.01.20|分类：
软件使用|标签：
与其大致的了解很多事情，不如好好把你平时碰到的问题详细的搞懂，阻抗计算就是其中一个例子。
很多PCB设计人员现在已经不自己动手去计算阻抗了，不信你可以看看他的电脑上有没有PolarSi这个工具即可。
如果读者你有心学，那么今天我就整理一篇polarsi的学习资料，至于软件本身，你可以去搜索下载，如果下不到，可以在本文后留言，我可以发邮件给大家，不过申明一下，此软件只做交流学习用，如果觉得自己有能力，建议购买正版！
下面我以计算手机射频SAW至TC（transceiver）的接受线阻抗为例，说明PolarSi计算阻抗的过程。
这段线现在在手机PCB设计中很多公司的默认做法是走4mil的线宽，相邻层净空，然后不做特别处理。
原因为何，很多设计师不会去细究。
其实此系列阻抗线要求是差分阻抗150欧，那么计算出来线宽究竟是多少？
我以一个普通的HDI板厂的一个普通的叠层结构为例计算此差分阻抗。
叠层结构见下图：
其中sig为信号层，即为铜箔厚度，绿色标示的是pp，我们可以看到来l3–》l4之间的pp为16mil，是很“厚”的，这也是为什么我们一般微带线的阻抗参考层要跨越此pp，实际操作就是将微带线放在L3或者L4层。
搞清楚图中各个数值的意义，下面我们就打开PolarSi阻抗计算软件，选择差分阻抗计算模式，并且选择要挖掉一层的图示来计算，如下图所示：
这时我们看到右边有很多需要填的数值，不必紧张，见下图，当你点某个方框时，在左侧的图示上面，此数值所对应的字母会用红色框高亮，例如下图中在右边点H1后的数值框，输入数值，那么左侧的H1就会高亮。
下面我们就按上述方法，依次根据叠层结构填入各个数值，Er1和Er2如果不知道可以填入3.8-4.2之间的数值，对计算结果影响不是很大，在最下面的Zdiff（差分阻抗）处填入150，表示我们要计算的是差分150欧的阻抗。
S1标示差分线的间距，我们先以12mil计算，我们要计算的是走线宽度，在W2一行后面可以看到有caculate，点一下，就会开始计算，如下图：
得到计算结果，如下图，这代表如果假设差分间距S1为12mil那么线宽为3.4mil才能满足差分150欧的阻抗。
3.4mil的线宽板厂控制起来是比较难的，因为第一：
制程达不到，第二，如果有零点几的误差，那么阻抗偏差很大。
所以我们就想，此线宽能不能变宽一点，那么我们尝试增加S1即差分间距来增加线宽。
S1=20mil
S1=40mil
我们可以看到如果要使线宽达到4mil那么差分间距S1要达到20mil，此距离是比较大的，对布线空间要求比较严格。
所以综上所述，一般我们采取的做法实际上是有误差的，但是还是接近于计算结果的。
如果要真的严格控制，是比教难达到的，何况差分还要严格平行等间距，这在设计中都比较难实现。
下图是个实际的设计例子：
读者可以自行尝试单根50欧的计算，本文不再赘述！
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一,首先给大家介绍一下Polar软件,Polar是专业计算阻抗的软件,其版本包括:
Si6000,Si8000,及Si9000.%@6b#x,H9O+u D/Z3m1K8{4g
二,其次给大家介绍常见的几种阻抗模型:
特性阻抗,差分阻抗,共面性阻抗.
"_!
Y,r*W2x+R9T+l 1.外层特性阻抗模型:
*B8u5~*d&N
*k）M!
I9~/J
2.内层特性阻抗模型:
"d;p*S9B:
|$\6D7Z1b"e7S&r）V&w
3.外层差分阻抗模型:
3J（U&[;y/Z
9y*G0~:
A&^;u5A.L%F;n6|+[0a 4.内层差分阻抗模型:
%A$T4G'`,C1x4u
/u2x"Q$b6f0s&T）w,p
5.共面性阻抗模型:
包括
（1）外层共面特性阻抗，
（2）内层共面特性阻抗，（3）外层共面差分阻抗，（4）内层共面差分阻抗.
4f5S'H6P:
S#]4~;W9_
2v5k0}0K3[8K三,再次给大家介绍一下芯板（即Core）及半固化片（即PP）,
（m%c/K（E7i5W 每个多层板都是由芯板和半固化片通过压合而成的,普通的FR-4板材一般有:
生益,建滔,联茂等板材供应商.生益FR-4的芯板根据板厚来划分有:
0.10MM,0.15MM,,0.2MM,,0.25MM.0.3MM,0.4MM,0.5MM等,包括有H/HOZ,1/1OZ,等这里有一点需要大家特别注意:
含两位小数的板厚是指不含铜的厚度,只有一位小数指包括铜的总厚度,例如:
0.10MM1/1OZ的芯板,其0.10MM是指介质的厚度,其总厚度应为0.10MM+0.035+0.035MM=0.17MM,再如:
0.15MM1/1OZ的芯板,其总厚度是:
0.15MM+0.035MM+0.035MM=0.22MM,而0.2MM1/1OZ的芯板,其总厚度就是0.2MM,它的介质厚度应为:
0.2MM-0.035MM-0.035MM=0.13MM."J+a#l&I2^ N.O
半固化片（即PP）,一般包括:
106,1080,2116,7628等,其厚度为:
106为0.04MM,1080为0.06MM,2116为0.11MM,7628为0.19MM.5j（g-f.l&[0V*|"l
当我们计算层叠结构时候通常需要把几张PP叠在一起,例如:
2116+106,其厚度为0.15MM,即6MIL;1080*2+7628,其厚度为0.31MM,即12.2MIL等.但需注意以下几点:
1,一般不允许4张或4张以上PP叠放在一起,因为压合时容易产生滑板现象.2,7628的PP一般不允许放在外层,因为7628表面比较粗糙,会影响板子的外观.3,另外3张1080也不允许放在外层,因为压合时也容易产生滑板现象.0g#a._2T$H-h8B;{
后续我会把一些常用的芯板以及各种组合的PP厚度汇总给大家,以便学习用Polar软件计算阻抗及层叠结构时使用!
*M'y+{ D$E,H6a1\四,怎样使用PolarSi9000软件计算阻抗:
8v%~:
L%b6e-]'i
首先应知道是特性阻抗还是差分阻抗,具体阻抗线在哪些信号层上,阻抗线的参考面是哪些层?
其次根据文件选择正确的阻抗模型来计算阻抗,最后通过调整各层间的介质厚度,或者调整阻抗线的线宽及间距来满足阻抗及板厚的要求!
[（p;R*t.k/h9T
五,举例说明怎样使用PolarSi9000计算阻抗及设计层叠结构:
6`:
C$i4k2W.^/?
1.四层板板厚1.6MM,外层信号线要求控制50欧姆特性阻抗和100欧姆差分阻抗.其设计结构详见:
4层板1.6MM阻抗设计.jpg,其中H1代表的是信号层与参考层之间的介质厚度,即L1与L2之间的厚度为3.2MIL,Er1为板材的介电常数,FR-4通常为4.2-4.6,W1称为下线宽，W2称为上线宽,一般认为W1=W+0.5MIL,W2=W-0.5MIL,S1（注意S1<2W）为两根差分线之间的间距（指线边缘与线边缘之间距离）,T1信号层的成品铜厚，外层1OZ=1.4MIL,而内层考虑的蚀刻的因素，我们通常认为内层1OZ=1.2MIL,而0.5OZ=0.6MIL。
Zdiff为阻抗值。
Calculate为计算按钮，各因素是可以互相推算的,例如我们要控制50欧姆的阻抗,线宽为5MIL,H1需要多少呢？
在Polar软件中找到特性阻抗模型,把相应要求值写上去，再按H1后面的Calculate为计算按钮，H1的值就计算出来了.大家可以利用Calculate为计算按钮去相互推算试一下。
7x$r/l3o6f6}-]/S
其中3.2MIL是由两张106的PP组合而来,48.42MIL指的是1.3MM1/1OZ的芯板的介质厚度,具体是这样得来:
1.3MM-0.035X2）X39.37=48.42MIL.一般层压厚度需比成品板厚小0.1MM左右，例如成品板厚1.6MM,而我们计算层压厚度一般不也许大于1.5MM,此结构的层压厚度为:
0.08MM+1.3MM+0.08MM+0.035MM（铜厚）=1.495MM.即刚好满足成品板厚1.6MM的要求。
7P,l%p7K6P&T0p 2.六层板板厚1.2MM,信号层要求控制50欧姆特性阻抗和100欧姆差分阻抗.具体详见:
6层板1.2MM阻抗设计1.jpg和6层板1.2MM阻抗设计2.jpg,阻抗模型中H2=29.94MIL是怎样得来？
5.1+1.2+22.44+1.2=29.94MIL,其中22.44MIL即由3张7628的PP组合,0.19MMX3=0.57MMX39.37=22.44MIL,所以其层压厚度为:
0.08MMX2+0.2MMX2+0.49MM+0.035MM=1.085MM.（纠正一个错误:
层压结构中0.57MM应改为0.49MM）,成品板厚才是1.2MM.0.49MM是由7628*2+2116组合.
1~.~.@/l$R六,现给大家提供PolarSi9000V7.1下载地址及安装方法:
&n#S3d9p8c5y!
w）u&M0[ 下载地址:
亮腾资讯网
{+M/o2Q!
l SI9000V7.1 阻抗计算软件也称PCB叠层阻抗工具SI9000V7.11E1D*I4^8n2F'v#F-o
A：
点击setup.exe安装完毕。
+g2O,P I'y9\ O2q
B：
打开SI9000，指定\Crack\si9000.lic的路径后即可破解成功。
-k-C9|8y5h0gSi9000m是全新的边界元素法场效解算器，建立在我们熟悉的早期Polar阻抗设计系统易于使用的用户界面之上。
:
}9Z;B7F.m!
|6P#eSi9000m增加了增强型建模功能，以便预测多介质PCB层的最终阻抗，同时考虑到邻近差动结构之间的介电常数差异。
-^）U4T#Y%A5X:
p（f）T建模时常常忽略了表面涂层，Si9000m模拟涂层与表面线路之间的阻焊厚度。
这是一种更好的解决方案，可根据电路8R/i+M4N0E0r"H,B
板采用的特殊阻焊方法进行定制。
新的Si9000m还提取偶模阻抗和共模阻抗。
（偶模阻抗是当两条传输线对都采用相%e$v:
{3V+{ Q）P3L#@
同量值、相同极性的信号驱动时，传输线一边的特性阻抗。
）在USB2.0和LVDS等高速系统中，越来越需要控制这些0J4e!
k*r7s:
X9y
特征阻抗。
:
l;B/p/K9d"I%x9k七,怎样正确选择阻抗模型:
y&[;^#r;h3B&[;c"c#[ 大家在计算阻抗时，首先要选择正确的阻抗模型是非常重要的！
那么怎样选择正确的阻抗模型呢？
首先我们必须了解每一个模型所代表的意思，什么情况下采用这种模型?
4L K-g$O5[1L;i5O2y 1.外层特性阻抗模型:
外层特性阻抗模型是外层线路中某根线需要控制一般为50欧姆的阻抗,例如:
一个四层板,板厚1.6MM,TOP层和BOTTOM层上5MIL的线需控制50欧姆的特性阻抗.
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外层特性阻抗
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内层特性阻抗
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外层差分阻抗
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内层差分阻抗
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6层板1.2MM阻抗结构图
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6层板1.2MM阻抗示意图
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