CadencePCBSI分析特性阻抗教程

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和把跟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」