利用 Cadence PCB SI 分析特性阻抗变化因素
1、 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 [] (S:横截面面积[m2]，L:导体长 [m]，ρ:金属（铜）的电阻率[*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) 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 W:导线宽度(cm) t:导线厚度(cm)

<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 Value tab，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 Para meters。 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」 4.1.2、用图表表示介电质的厚度 D1 和特性阻抗 Z0 的关系 介电质厚度 D1 在 0.05～0.15mm 范围内，以 0.01mm 间隔使之变化了 11 点的时候，特性阻抗 Z0 的变化。

从这个图表可以看出，介电质厚度 D1 变大，特性阻抗 Z0 变大。因为参考面与导体的距离变大， 导体和参考面间的电容 C 变小。 4.1.3、用图表表示让导线的厚度 T 和跟特性阻抗 Z0 的关系 导线的厚度 T 在 0.03～0.04mm 范围内，以 0.001mm 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，导线的厚度 T 变大，特性阻抗 Z0 一点点变小。导线的厚度 T 变大的话， 与导体间的电容 C 和导体的电感 L 也变大，不过，对特性阻抗 Z0 的影响因为是电容 C 变大。 4.1.4、用图表表示跟介电常数 ε1 和特性阻抗 Z0 的关系 介电常数 ε1 在 3.5～4.5 范围内，以 0.1 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，介电常数 ε1 变大，特性阻抗 Z0 变小。因为介电常数 ε1 变大，导体和参 考面间的电容 C 变大。 4.1.5、用图表表示介电常数 ε2 和特性阻抗 Z0 的关系 介电常数 ε2 在 1～5 范围内，以 0.5 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，介电常数 ε2 变大，特性阻抗 Z0 变小。因为介电常数 ε2 变大，导体和参 考面间的电容 C 变大。

4.2、差分阻抗和各参数的关系 下图作为标准的层构成的时候，计算只做一个参数变化的时候，差分阻抗的变化。

4.2.1、线间距 S 和差动阻抗 Zdiff 的关系 线间距 S 在 0.12～0.22mm 范围内，以 0.01mm 间隔变化了 11 点的时候，差分阻抗 Zdiff 的变 化。

从这个图表可以，线间距 S 变大，差分阻抗 Zdiff 变大。因为线间距 S 变大，差分线路间的电容 C 变小。 4.2.2、导线的厚度 T 和跟差分阻抗 Zdiff 的关系 导线的厚度 T 在 0.03～0.04mm 范围内，以 0.001mm 间隔变化了 11 点的时候，差分阻抗 Zdiff 的变化。

从这个图表可以看出，导线的厚度 T 变大，差分阻抗 Zdiff 变小。导线的厚度 T 变大，导体与参 考面间和差分线路间的电容 C 及导体的电感 L 也变大，对差分阻抗 Zdiff 的影响是因为是导体和 参考面间和差分线路间的电容 C 变大。同时，与单线比的话，差分线路间产生的电容，也使差 分阻抗 Zdiff 也变大。 4.2.3、介电常数 ε2 和差分阻抗 Zdiff 的关系 介电常数 ε2 在 1～5 范围内，以 0.5 间隔使之变化了 11 点的时候，差分阻抗 Zdiff 的变化。

从这个图表可以看出，介电常数 ε2 变大，差分阻抗 Zdiff 变小。因为介电常数 ε2 变大，导体与 参考面间和差分线路间的电容 C 变大。同时，与单线比的话，差分线路间上产生的电容，也使 差分阻抗 Zdiff 变大。