理解阻抗計算

2021-02-13 EDN電子技術設計

一直有很多人問我阻抗怎麼計算的。 人家問多了,我想給大家整理個材料,於己於人都是個方便。如果大家還有什麼問題或者文檔有什麼錯誤,歡迎討論與指教!


  在計算阻抗之前,我想很有必要理解這兒阻抗的意義

  傳輸線阻抗是從電報方程推導出來(具體可以查詢微波理論)

  如下圖,其為平行雙導線的分布參數等效電路:

  

  從此圖可以推導出電報方程

  

  取傳輸線上的電壓電流的正弦形式

  

  得

  

  推出通解

  

  

  定義出特性阻抗

  

  無耗線下r=0, g=0 得

  

  注意,此特性阻抗和波阻抗的概念上的差異(具體查看平面波的波阻抗定義)

  

  特性阻抗與波阻抗之間關係可從 此關係式推出。

  Ok,理解特性阻抗理論上是怎麼回事情,看看實際上的意義,當電壓電流在傳輸線傳播的時候,如果特性阻抗不一致所求出的電報方程的解不一致,就造成所謂的反射現象等等。在信號完整性領域裡,比如反射,串擾,電源平面切割等問題都可以歸類為阻抗不連續問題,因此匹配的重要性在此展現出來。

  我們來看如下一種stackup,主板常用的8 層板(4 層power/ground 以及4 層走線層,sggssggs,分別定義為L1, L2…L8)因此要計算的阻抗為L1,L4,L5,L8

  

  下面熟悉下在疊層裡面的一些基本概念,和廠家打交道經常會使用的

  Oz 本來是重量的單位Oz(盎司 )=28.3 g(克)

  在疊層裡面是這麼定義的,在一平方英尺的面積上鋪一盎司的銅的厚度為1Oz,對應的單位如下

  

  電容器極板間有電介質存在時的電容量Cx 與同樣形狀和尺寸的真空電容量Co之比為介電常數:

  ε = Cx/Co = ε『-ε「

  pp 是種介質材料,由玻璃纖維和環氧樹脂組成,core 其實也是pp 類型介質,只不過他兩面都覆有銅箔,而pp 沒有。

  首先,我們來看下傳輸線的基本類型,在計算阻抗的時候通常有如下類型: 微帶線和帶狀線,對於他們的區分,最簡單的理解是,微帶線只有1 個參考地,而帶狀線有2個參考地,如下圖所示

  

  對照上面常用的8 層主板,只有top 和bottom 走線層才是微帶線類型,其他的走線層都是帶狀線類型

  在計算傳輸線特性阻抗的時候, 主板阻抗要求基本上是:單線阻抗要求55 或者60Ohm,差分線阻抗要求是70~110Ohm,厚度要求一般是1~2mm,根據板厚要求來分層得到各厚度高度。

  在此假設板厚為1.6mm,也就是63mil 左右, 單端阻抗要求60Ohm,差分阻抗要求100Ohm,我們假設以如下的疊層來走線

  

  先來計算微帶線的特性阻抗,由於top 層和bottom 層對稱,只需要計算top 層阻抗就好的,採用polar si6000,對應的計算圖形如下:

  

  在計算的時候注意的是:

  1,你所需要的是通過走線阻抗要求來計算出線寬W(目標)

  2,各廠家的製程能力不一致,因此計算方法不一樣,需要和廠家進行確認

  3,表層採用coated microstrip 計算的原因是,廠家會有覆綠漆,因而沒用surface microstrip 計算,但是也有廠家採用surface microstrip 來計算的,它是經過校準的

  4,w1 和w2 不一樣的原因在於pcb 板製造過程中是從上到下而腐蝕,因此腐蝕出來有梯形的感覺(當然不完全是)

  5,在此沒計算出精確的60Ohm 阻抗,原因是實際製程的時候廠家會稍微改變參數,沒必要那麼精確,在1,2ohm 範圍之內我是覺得沒問題

  6,h/t 參數對應你可以參照疊層來看

  再計算出L5 的特性阻抗如下圖

  

  記得當初有各版本對於stripline 還有symmetrical stripline 的計算圖,實際上的差異從字面來理解就是symmetrical stripline 其實是offset stripline 的特例H1=H2

  在計算差分阻抗的時候和上面計算類似,除所需要的通過走線阻抗要求來計算出線寬的目標除線寬還有線距,在此不列出。

選用的圖是

  

  

  在計算差分阻抗注意的是:

  在滿足DDR2 clock 85Ohm~1394 110Ohm 差分阻抗的同時又滿足其單端阻抗,因此我通常選擇的是先滿足差分阻抗(很多是電流模式取電壓的)再考慮單端阻抗(通常板廠是不考慮的,實際做很多板子,問題確實不算大,看樣子差分線還是走線同層同via 同間距要求一定要符合)。(作者:heroedit@hotmail.com)

回覆:運算放大器、單片機、示波器、模擬、畢設、電阻、DSP、傅立葉、阻抗、小波、信號、電路、面試、電源、FPGA、USB、CAN(回覆你想看的)

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