PCB设计中阻抗的详细计算方法.docx

1、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Polar Si这个工具即可。如果读者你有心学，那么今天我就整理一篇polar si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(transce

2、iver)的接受线阻抗为例，说明Polar Si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l3l4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Polar Si

3、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

4、，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=20milS1=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

5、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！移动互连设计致力于打造一个专业的 PCB设计主题博客，分享设计心得，交流从业经验，挖掘行业信息， 带动整个行业发展。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.% 6 b# x, H9 O+ uD/ Z3 m1 K8 4 g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* W2 x+ R9 T+ l 1.外层特性阻抗模型:* B8 u5 * d& N* k) M!

6、I9 / J 2.内层特性阻抗模型: d; p* S9 B: |$ 6 D7 Z1 b e7 S& r) V& w 3.外层差分阻抗模型:3 J( U& ; y/ Z9 y* G0 : A& ; u5 A. L% F; n6 |+ 0 a 4.内层差分阻抗模型:% A$ T4 G , C1 x4 u / u2 x Q$ b6 f0 s& 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.4 f5 S H6 P: S# 4 ; W9 _2 v5 k0 0 K3 8 K三,再次给大家介绍一下芯板(即Core)及半

7、固化片(即PP),( m% c/ K( E7 i5 W 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:0.10MM 1/1OZ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:0.15MM 1/1OZ的芯板,其总厚度是:

8、0.15MM+0.035MM+0.035MM=0.22MM,而0.2MM 1/1OZ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.5 j( g- f. l& 0 V* | 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,

9、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.0 g# a. _2 T$ H- h8 B; 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, H6 a1 四, 怎样使用Polar Si9000软件计算阻抗:8 v% : L% b6 e- 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,

10、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/ h9 T五,举例说明怎样使用Polar Si9000计算阻抗及设计层叠结构:6 : C$ i4 k2 W. / ? 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

11、W1=W+0.5MIL,W2=W-0.5MIL,S1(注意S12W)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。7 x$ r/ l3 o6

12、 f6 - / S 其中3.2MIL是由两张106的PP组合而来,48.42MIL指的是1.3MM 1/1OZ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。7 P, l% p7 K6 P& T0 p 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

13、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Polar Si9000 V7.1下载地址及安装方法:& n# S3 d

14、9 p8 c5 y! w) u& M0 下载地址: 亮腾资讯网+ M/ o2 Q! l SI9000 V7.1阻抗计算软件也称PCB叠层阻抗工具SI9000 V7.11 E1 D* I4 8 n2 F v# F- oA：点击setup.exe安装完毕。+ g2 O, PI y9 O2 qB：打开SI9000，指定Cracksi9000.lic的路径后即可破解成功。- k- C9 |8 y5 h0 gSi9000m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。: 9 Z; B7 F. m! |6 P# eSi9000m增加了增强型建模功能，以便预

15、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。 - ) U4 T# Y% A5 X: 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8 R/ i+ M4 N0 E0 r 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: 3 V+ Q) P3 L# 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0 J4 e! k* r7 s: X9 y特征阻抗。: l;

16、 B/ p/ K9 d I% x9 k七,怎样正确选择阻抗模型:, y& ; # r; h3 B& ; 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?4 LK- g$ O5 1 L; i5 O2 y 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.特性阻抗.jpg (112.37 KB, 下载次数: 114) 2011-7-12 11:35 上传下

17、载次数: 114外层特性阻抗内层特性阻抗.jpg (122.42 KB, 下载次数: 134) 2011-7-12 11:40 上传下载次数: 134内层特性阻抗外层差分阻抗.jpg (120.93 KB, 下载次数: 84) 2011-7-12 11:47 上传下载次数: 84外层差分阻抗内层差分阻抗.jpg (133.4 KB, 下载次数: 79) 2011-7-12 11:49 上传下载次数: 79内层差分阻抗外层特性共面阻抗.jpg (109.05 KB, 下载次数: 79) 2011-7-12 19:50 上传下载次数: 79外层特性共面阻抗内层特性共面阻抗.jpg (109.28

18、KB, 下载次数: 122) 2011-7-12 19:51 上传下载次数: 122内层特性共面阻抗外层差分共面阻抗.jpg (99.69 KB, 下载次数: 88) 2011-7-12 19:51 上传下载次数: 88外层差分共面阻抗内层差分共面阻抗.jpg (122.52 KB, 下载次数: 84) 2011-7-12 19:51 上传下载次数: 84内层差分共面阻抗4层板1.6MM阻抗设计.jpg (187.35 KB, 下载次数: 92) 2011-7-13 09:39 上传下载次数: 924层板1.6MM阻抗设计6层板1.2MM阻抗设计1.jpg (105.44 KB, 下载次数: 74) 2011-7-13 10:55 上传下载次数: 746层板1.2MM阻抗结构图6层板1.2MM阻抗设计2.jpg (162.07 KB, 下载次数: 77) 2011-7-13 10:55 上传下载次数: 776层板1.2MM阻抗示意图