传输线特征阻抗的等效模型

 

在硬件设计过程中，当原理图设计完成后需要提交EDA团队进行PCB的绘制，其中传输线阻抗的控制是重要的一项内容。在提交PCB设计说明书时，需要对线宽/线间距做出要求；在PCB设计过程中，需要与EDA设计人员进行沟通，可能会对线宽/线间距、相邻层厚度做适当调整；在提交PCB制版后，厂家会结合实际生产条件进行阻抗调整，这也需要硬件开发人员进行确认。因此，作为硬件开发人员，需要对传输线阻抗的原理和计算方法有所了解。传输线阻抗控制主要有两种：单端阻抗和差分阻抗。单端阻抗的阻值一般控制在50欧姆左右，差分阻抗一般控制在100欧姆左右。接下来介绍传输线特征阻抗的等效模型，并结合具体单板PCB设计，介绍如何利用Polar Si9000工具进行特征阻抗的计算。

一、传输线的等效模型

1. 等效模型及参数

图1：传输线等效模型传输线等效模型如图1示，其中各参数如下：1、铜层厚度（T1）2、PCB板迹线的上下线宽（W2，W1）3、绝缘层厚度（H1）4、介电常数（Er1）5、若为差分线，则还有一个参数线间距（S1）。

2．参数说明

特征阻抗主要与线宽，绝缘层厚度等参数有关。线宽越大，特征阻抗越小；绝缘层越厚，相应的特征阻抗越大。阻抗控制采用以下参数：介质常数（Er1）：4.0，FR4材料。下线宽（W1）：设计线宽（假设为W）；上线宽（W2）：外层走线=W-1；             内层走线=W-0.5；铜层厚度（T1）：分为表层与内层，如下表。需电镀填铜层铜厚（表层）：

电镀填铜层基铜铜厚（OZ）	1/3 OZ	1/2 OZ	1 OZ
计算铜厚（mil）	1.7	2.0	2.7

非电镀填铜层铜厚（内层）

非电镀填铜层铜厚（OZ）	1/2 OZ	1 OZ	1.5 OZ
计算铜厚（mil）	0.6	1.2	2.56

以上参数所得的计算结果，还应考虑到外层绿油覆盖对阻抗的影响，因此外层单线要减去3欧姆，外层差分线要减去9欧姆，为厂家加工后的实际阻抗值。

二、具体计算实例：

计算所使用的PCB模型为某低速业务板工装测试背板，有18层，其结构如下：表1：

L1	---------------------------------------	0.5oz +电镀
	PP  2116  4.495mil
L2		1oz
	CORE  0.21  8.27mil
L3	---------------------------------------	1oz
	PP  1080+7628  9.445mil
L4	---------------------------------------	1oz
	CORE  0.21  8.27mil
L5	---------------------------------------	1oz
	PP  1080+7628  9.445mil
L6	---------------------------------------	1oz
	CORE  0.21  8.27mil
L7	---------------------------------------	1oz
	PP  1080+7628  9.82mil
L8	---------------------------------------	1oz
	CORE  0.15  5.9mil
L9	---------------------------------------	1oz
	PP  3313  3.42mil
	CORE  1(0.5oz)  37.99mil
	PP  3313  3.37mil
L10	---------------------------------------	1oz
	CORE  0.15  5.9mil
L11	---------------------------------------	1oz
	PP  1080+7628  9.8325mil
L12	---------------------------------------	1oz
	CORE  0.21  8.27mil
L13	---------------------------------------	1oz
	PP  1080+7628  9.4575mil
L14	---------------------------------------	1oz
	CORE  0.21  8.27mil
L15	---------------------------------------	1oz
	PP  1080+7628  9.445mil
L16	---------------------------------------	1oz
	CORE  0.21  8.27mil
L17	---------------------------------------	1oz
	PP  2116  4.495mil
L18	----------------------------------------	0.5oz+电镀

表2：

阻抗计算值
层别	调整线宽/线间距	计算值(ohm)	H1(mil)	Er1	H2(mil)	Er2
L1/18	7.6 mil to 7 mil	49.6	4.5	3.95
L1/18	7/13.5 mil to 5.9/14.6 mil	98.3	4.5	3.95
L3/16/5/14	7.6 mil	49.6	8.27	3.95	10.7	3.93
L3/16/5/14	7/13.5 mil	98.1	8.27	3.95	10.7	3.93
L7/12	7.6 mil	50	8.27	3.95	11.07	3.93
L7/12	7/13.5 mil	98.7	8.27	3.95	11.07	3.93
L9/10	7.6 mil to 8 mil	51.5	5.9	3.65	53.18	3.89
L9/10	7/13.5 mil	99.1	5.9	3.65	53.18	3.89
L9的屏蔽层为:		L8/L11
L10的屏蔽层为:		L8/L11
其他层邻层屏蔽

2.1 表层（L1/L18）单端阻抗计算：（单位：mil）

参数说明：H1为绝缘层的厚度4.5mil；W1= 7.0mil；W2= W1-1=6.0mil；T1=2. 0 mil；Er1=4；计算结果：Z0=53.99欧姆。加工后的实际阻抗应为：Z0′=Z0-3=50.99欧姆与厂家所给出的阻抗值基本一致。

2.2表层（L1/L18）差分线阻抗计算：（单位：mil）

参数说明：H1为绝缘层的厚度4.5mil；W1= 5.9mil；W2=4.9mil；S1= 14.6 mil；T1=2.2mil；Er1=4；计算结果：Z0=110.78欧姆。加工后的实际阻抗应为：Z0′=Z0-9=101.78欧姆与厂家所给出的阻抗值基本一致。

2.3内层（L3/L10）单端阻抗计算：（单位：mil）

以L3层为例，参数设置如下：参数说明：H1为绝缘层厚度8.27mil。Er1为3.95；W1=7.6 mil；W2= W1-0.5=7.1mil；T1=1.2mil；Er2 =3.93；H2为芯板的厚度加上铜箔的厚度为10.7mil计算结果：Z0=49.91欧姆。与厂家所给出的阻抗值基本一致。

2.4内层差分线（L3/L10）阻抗计算：  （单位：mil）

以L3层为例，参数设置如下：参数说明：H1为绝缘层的厚度8.27mil。Er1为3.95；W1 =7 mil；W2= W1-0.5=6.5mil；S1 =13.5 mil；T1=1.2mil；Er2 =3.93；H2为绝缘层的厚度加上铜箔的厚度，为10.7mil计算结果：Z0=98.86欧姆。与厂家所给出的阻抗值基本一致。

2.5 相邻信号层的阻抗计算

理论上相邻信号层的阻抗计算应该用如下模型，如第9第10两层。但是这样非常繁琐，可以简化成2.3，2.4中所述的模型，实际厂家给出的参数也证明了这一点。只要将H1，H2，Er1 ,Er1作相应调整即可，具体参数见表1，表2中所示。

三、总结

本文介绍了传输线特征阻抗的等效模型，并结合具体单板PCB设计，介绍了利用Polar Si9000工具计算特征阻抗的方法，希望能对大家有所帮助。
审核编辑 ：李倩