【PCB设计】传输线特征阻抗的计算方法及实例-凡亿课堂

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。