阻抗計算的必要性和計算方法

1、阻抗計算的必要性

當(dāng)電壓電流在傳輸線傳播的時候,如果特性阻抗不一致就會造成所謂的信號反射現(xiàn)象等等。在信號完整性領(lǐng)域里,比如反射,串?dāng)_,電源平面切割等問題都可以歸類為阻抗不連續(xù)問題,因此匹配的重要性在此展現(xiàn)出來。

2、常見阻抗模型

我們一般利用Polar.SI9000阻抗計算工具進(jìn)行阻抗計算，在計算之前我們需要認(rèn)識常見的阻抗計算模型，常見的阻抗模型有特性阻抗、差分阻抗、共面性阻抗。如圖3-6所示，阻抗模型又細(xì)分為如下幾類：

1）外層特性阻抗模型

2）內(nèi)層特性阻抗模型

3）外層差分阻抗模型

4）內(nèi)層差分阻抗模型

5）共面性阻抗模型:

(A)外層共面特性阻抗

(B)內(nèi)層共面特性阻抗

(C)外層共面差分阻抗

(D)內(nèi)層共面差分阻抗.

圖3-6 常見阻抗模型

3、阻抗的計算

1）阻抗計算必要條件

板厚、層數(shù)（信號層數(shù)、電源層數(shù)）、板材、表面工藝、阻抗值、阻抗公差、銅厚

2）影響阻抗的因素

介質(zhì)厚度、介電常數(shù)、銅厚、線寬、線距、阻焊厚度，如圖3-7所示。

圖3-7 影響阻抗的因素

其中：

H1：介質(zhì)的厚度（PP片或者板材，不包括銅厚）

Er1：PP片或者板材的介電常數(shù)，多種PP片或板材壓合一起時取平均值

W1：阻抗線下線寬 W2：阻抗線上線寬

T1：成品銅厚 Cer：綠油的介電常數(shù)（3.3）

C1：基材的綠油厚度（一般按照0.8mil）

C2：銅皮或者走線上的綠油厚度（一般按照0.5mil）

Zo：計算出來的阻抗理論值

提示小助手：

一般來說上下線寬存在如下關(guān)系，如表3-3所示，上下線寬關(guān)系表。

表3-3 上下線寬的關(guān)系對比圖

3）計算方法

我們通過一個實例來演示下阻抗計算的方法及步驟

普通的FR-4板材一般有：生益，建滔，聯(lián)茂等板材供應(yīng)商。生益FR-4及同等材料芯板可以根據(jù)板厚來劃分，如表3-4所示，列出了詳細(xì)的厚度參數(shù)及介電常數(shù)。

表3-4 常見生益FR-4芯板厚度及介電常數(shù)

半固化片(即PP片)，一般包括:106，1080，2116，7628等,其厚度為:106為0.04MM，1080為0.06MM，2116為0.11MM，7628為0.19MM，如表3-5所示，列出了常見PP片的厚度參數(shù)及介電常數(shù)。

表3-5常見PP片厚度參數(shù)及介電常數(shù)

對于Rogers板材，Rogers4350 0.1mm板材介電常數(shù)為3.36，其他Rogers4350板材介電常數(shù)為3.48。Rogers4003板材介電常數(shù)3.38，Rogers4403半固化片介電常數(shù)為3.17

我們知道每個多層板都是由芯板和半固化片通過壓合而成的。當(dāng)我們計算層疊結(jié)構(gòu)時候通常需要把芯板和PP片疊在一起，組成板子的厚度，比如一個芯板+兩張PP片疊加“芯片+106+2116”，那么他的理論厚度就是0.25mm+0.0513mm+0.1185mm=0.4198mm。但需注意以下幾點:

1）一般不允許4張或4張以上PP疊放在一起，因為壓合時容易產(chǎn)生滑板現(xiàn)象。

2）7628的PP一般不允許放在外層,因為7628表面比較粗糙,會影響板子的外觀。

3）另外3張1080也不允許放在外層,因為壓合時也容易產(chǎn)生滑板現(xiàn)象。

4）CORE一般選擇大于0.11mm的，六層的一般2塊芯板，8層的三塊芯板

由于銅厚的原因我們的理論厚度和實測厚度有一定的差，具體可以參考圖3-8。

圖3-8理論厚度于實測厚度

我們從圖3-7可以看出，理論厚度和實測厚度存在銅厚的差額，可以從總計如下公式：

實測厚度=理論厚度-銅厚1（1-X1）-銅厚2（1-X2）

其中：

1、X表示殘銅率，表層X取1，光板X取0

2、電源地平面殘銅率一般為取值70%，信號層殘銅率一般取值為23%

提示小助手：

殘銅率是指板平面上有銅的面積和整板面積之比。比如張沒有加工的原材料殘銅率就是100%，蝕刻成光板時就是0%，

“OZ”標(biāo)示銅厚單位“盎司”，1OZ=0.035mm

4、計算實例

1）疊層要求

板厚：1.2mm ，板材：FR4，層數(shù)：6層 銅厚：內(nèi)層1OZ 表層0.5OZ

2）根據(jù)芯板和PP片常見厚度參數(shù)組合，并根據(jù)疊層厚度要求可以堆疊如下層壓結(jié)構(gòu)，如圖3-9所示。

圖3-9 6層層壓結(jié)構(gòu)圖

其中上圖標(biāo)示PP厚度為實際厚度，計算公式如下：

PP（3313）[實測值]=0.1034mm[理論值]-0.035/2mm*（1-1）[表層0.5OZ，殘銅率取1]-0.035mm*（1-0.7）[內(nèi)層1OZ，殘銅率70%]=0.0929mm=3.65mil

PP（7628*3）[實測值]=0.1951*3[理論值]-0.035（1-0.23）[內(nèi)層1OZ，相鄰信號層殘銅率取0.23%]-0.035（1-0.23）[內(nèi)層1OZ，相鄰信號層殘銅率取0.23%]=0.5314mm=20.92mil

板子總厚度=0.5OZ+3.65+1OZ+5.1+1OZ+20.92+1OZ+5.1+1OZ+3.65+0.5OZ=1.15MM

3）打開SI9000軟件，選擇需要計算阻抗的阻抗模型，計算表層50歐姆單線阻抗線寬。如圖3-10，根據(jù)壓合層疊數(shù)據(jù)，填入相關(guān)已知參數(shù)。計算得出走線線寬W0=6.8mil，這個是計算出比較粗的走線，有時候會基于走線難度準(zhǔn)許阻抗存在一定的誤差，所以可以根據(jù)計算得出的走線線寬來稍微調(diào)整，比如我們調(diào)整計算參數(shù)走線5.5mil時，計算阻抗Zo=54.82，如圖3-11所示計算結(jié)果。

圖3-10 根據(jù)阻抗計算線寬

圖3-11 根據(jù)線寬微調(diào)阻抗值

4）需計算內(nèi)層（以第三層為例）90歐姆差分阻抗走線線寬與間距，如圖3-12，選擇內(nèi)層差分阻抗模型，根據(jù)壓合層疊數(shù)據(jù)，填入已知參數(shù)，然后可以通過阻抗要求，調(diào)整線寬和間距，分別計算，考慮到板卡設(shè)計難度可以微調(diào)阻抗在準(zhǔn)許范圍之內(nèi)即可。

圖3-12 90歐姆差分阻抗計算結(jié)果

表3-6 阻抗計算結(jié)果

原文標(biāo)題：關(guān)于阻抗，你不得不知道的事情

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