下面利用SI9000計(jì)算是否達(dá)到阻抗控制的要求：

首先計(jì)算DDR數(shù)據(jù)線的單端阻抗控制：

TOP層：銅厚為0.5OZ，走線寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數(shù)為4.2。選擇模型，代入?yún)?shù)，選擇lossless calculation,如圖所示：

計(jì)算得到單端阻抗為Zo=55.08ohm，與要求相差5歐姆。根據(jù)板廠的反饋，他們將走線寬度改為6MIL以達(dá)到阻抗控制，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，在寬度W2=6MIL,W1=7MIL的情況下，計(jì)算得到的單端阻抗為Zo=50.56歐姆，符合設(shè)計(jì)要求。

L2層：在L2層的走線模型如下圖所示：

代入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算得到如下圖所示：

計(jì)算得到單端阻抗為Zo=50.59歐姆，符合設(shè)計(jì)要求。

同理可以得到L3層的單端阻抗，在此不再贅述。
 

下面計(jì)算差分阻抗控制：

由PCB設(shè)計(jì)可知，底板PCB中時(shí)鐘走線在L3層，USB數(shù)據(jù)線在L2層，走線寬度均為6MIL,間距為6MIL。

時(shí)鐘信號(hào)選擇的模型如下所示：

按照提供給板廠的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果如下圖所示：

根據(jù)板廠的反饋，差分阻抗只能做到85歐姆，與計(jì)算結(jié)果接近（他們可以微調(diào)板層厚度，但不能調(diào)線）。但是改變線間距為12MIL時(shí)，計(jì)算得到的差分阻抗為92.97歐姆，再將線寬調(diào)為5MIL時(shí)，差分阻抗為98.99歐姆，基本符合設(shè)計(jì)要求。
 

經(jīng)驗(yàn)小結(jié)

1、當(dāng)差分走線在中間信號(hào)層走線時(shí)，差分阻抗的控制比較困難，因?yàn)榫炔粔?，就是說(shuō)改變介質(zhì)層厚度對(duì)差分阻抗的影響不大，只有改變走線的間距才對(duì)差分阻抗影響較大。但是當(dāng)走線在頂層或底層時(shí)，差分阻抗就比較好控制，很容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)實(shí)際計(jì)算發(fā)現(xiàn)，重要的信號(hào)線最好走表層，容易進(jìn)行阻抗控制，尤其是時(shí)鐘信號(hào)差分對(duì)。
 

2、在PCB設(shè)計(jì)之前，首先必須通過(guò)阻抗計(jì)算，把PCB的疊層參數(shù)確定，如各層的銅厚，介質(zhì)層的厚度等等，還有差分走線的寬度和間距都需要事先計(jì)算得出，這些就是PCB的前端仿真，保證重要的信號(hào)線的阻抗控制滿足設(shè)計(jì)要求。
 

3、關(guān)于介電常數(shù)Er的問(wèn)題：

以我們使用最多的FR-4介質(zhì)的材料板為例：實(shí)際多層板是芯板和壓合樹(shù)脂層堆疊而成，其芯板本身也是由半固化片組合而成。常用的三種半固化片技術(shù)指標(biāo)如下表1 所示。

半固化片組合的介電常數(shù)不是簡(jiǎn)單的算術(shù)平均，甚至在構(gòu)成微帶線和帶狀線時(shí)的Er值也有所不同。另一方面，F(xiàn)R-4的Er也隨信號(hào)頻率的變化有一定改變，不過(guò)在1GHz 以下一般認(rèn)為FR-4 材料的Er 值約4.2。通常計(jì)算時(shí)采用4.2。
 

4、在實(shí)際的阻抗控制中，一般采用介質(zhì)為FR-4，其Er約4.2，線條厚度t對(duì)阻抗影響較小，實(shí)際主要可以調(diào)整的是H和W，W(設(shè)計(jì)線寬)一般情況下是 由設(shè)計(jì)人員決定的，但在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮線寬對(duì)阻抗的配合性和實(shí)際加工精度。當(dāng)然，采用較小的W 值后線條厚度t 的影響就不容忽視了。H(介質(zhì)層厚度)對(duì)阻抗控制的影響最大，實(shí)際H 有兩類情況：一種是芯板，材料供應(yīng)商所提供的板材中H的厚度也是由以上三種半固化片組合而成，但其在組合的過(guò)程中必然會(huì)考慮三種材料的特性，而絕非無(wú)條件 的任意組合，因此板材的厚度就有了一定的規(guī)定，形成了一個(gè)相應(yīng)的清單，同時(shí)H 也有了一定的限制。如0.17mm 1/1的芯板為 2116 ×1，0.4mm 1/1的芯板為1080×2+7628×1等。另一種是多層板中壓合部分的厚度：其方法基本上與前相同但需注意銅層的損失。如內(nèi)電層間用半固化片進(jìn)行填 充，因在制作內(nèi)層的過(guò)程中銅箔被蝕刻掉的部分很少，則半固化片中樹(shù)脂對(duì)該區(qū)的填充亦很少，則半固化片的厚度損失可忽略。反之，如信號(hào)層之間用半固化片進(jìn)行 填充，由于銅箔被蝕刻掉的部分較多，則半固化片的厚度損失會(huì)很大且難以估計(jì)。因此，有人建議在內(nèi)層的信號(hào)層要求鋪銅以減少厚度損失。
 

5、特征阻抗與傳輸線的寬度是成反比的,寬度越寬，阻抗越低,反之則阻抗更高。
 

6、在有些板的設(shè)計(jì)要求中對(duì)板層厚度有限制時(shí)，此時(shí)要達(dá)到比較好的阻抗控制，采用好的疊層設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。從實(shí)際的計(jì)算中可以得出以下結(jié)論：

a. 每個(gè)信號(hào)層都要有參考平面相鄰, 能保證其阻抗和信號(hào)質(zhì)量；

b. 每個(gè)電源層都要有完整的地平面相鄰, 使得電源的性能得以較好的保證；
 

7、關(guān)于差分走線的線寬和間距對(duì)阻抗控制的討論：

通過(guò)軟件計(jì)算發(fā)現(xiàn)，改變差分對(duì)的間距對(duì)阻抗控制的影響較大，但是這里涉及到另一個(gè)問(wèn)題，就是差分對(duì)的耦合問(wèn)題。

差分對(duì)耦合的主要目的是增強(qiáng)對(duì)外界的抗干擾能力和抑止EMI。耦合分為緊耦合方式( 即差分對(duì)線間距小于或等于線寬) 和松耦合方式。
 

如果能保證周?chē)械淖呔€離差分對(duì)較遠(yuǎn)（比如遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3 倍的線寬），那么差分走線可以不用保證緊密的耦合，最關(guān)鍵的是保證走線長(zhǎng)度相等即可。（可以參見(jiàn)Johnson 的信號(hào)完整性網(wǎng)站上的關(guān)于差分走線的闡述，他就要求他的layout 工程師將差分線離得較遠(yuǎn)，這樣可以方面繞線）。只是目前大多數(shù)多層高速的PCB板走線空間很緊密，根本無(wú)法將差分走線和其它走線隔離開(kāi)來(lái)，所以這時(shí)候保持緊密的耦合以增加抗干擾能力是應(yīng)該的。
 

緊耦合不是差分走線的必要條件，但是在空間不夠時(shí)走線采用緊耦合方式能夠增強(qiáng)差分走線的抗干擾能力。因此，對(duì)于差分對(duì)的阻抗控制問(wèn)題，怎么調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)需要綜合考慮上述因素，擇優(yōu)選擇。一般情況下不輕易調(diào)整差分對(duì)的間距和線寬。

 

延伸：差分對(duì)走線的PCB要求

1、確定走線模式、參數(shù)及阻抗計(jì)算

差分對(duì)走線分外層微帶線差分模式和內(nèi)層帶狀線差分模式兩種，通過(guò)合理設(shè)置參數(shù)，阻抗可利用相關(guān)阻抗計(jì)算軟件(如POLAR-SI9000)計(jì)算也可利用阻抗計(jì)算公式計(jì)算。
 

2、走平行等距線

確定走線線寬及間距，在走線時(shí)要嚴(yán)格按照計(jì)算出的線寬和間距，兩線間距要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種： 一種為兩條線走在同一線層(side-by-side)，另一種為兩條線走在上下相兩層(over-under)。一般盡量避免使用后者即層間差分信號(hào)， 因?yàn)樵赑CB板的實(shí)際加工過(guò)程中，由于層疊之間的層壓對(duì)準(zhǔn)精度大大低于同層蝕刻精度，以及層壓過(guò)程中的介質(zhì)流失，不能保證差分線的間距等于層間介質(zhì)厚度， 會(huì)造成層間差分對(duì)的差分阻抗變化。困此建議盡量使用同層內(nèi)的差分。
 

3、緊耦合原則

在計(jì)算線寬和間距時(shí)最好遵守緊耦合的原則，也就是差分對(duì)線間距小于或等于線寬。當(dāng)兩條差分信號(hào)線距離很近時(shí)，電流傳輸方向相反，其磁場(chǎng)相互抵消，電場(chǎng)相互耦合，電磁輻射也要小得多。
 

4、走短線、直線

為確保信號(hào)的質(zhì)量，差分對(duì)走線應(yīng)該盡可能地短而直，減少布線中的過(guò)孔數(shù)，避免差分對(duì)布線太長(zhǎng)，出現(xiàn)太多的拐彎，拐彎處盡量用45°或弧線，避免90°拐彎。
 

5、不同差分線對(duì)間處理

差分對(duì)對(duì)走線方式的選擇沒(méi)有限制，微帶線和帶狀線均可，但是必須注意要有良好的參考平面。對(duì)不同差分線之間的間距要求間隔不能太小，至少應(yīng)大于3～5倍差分線間距。必要時(shí)在不同差分線對(duì)之間加地孔隔離以防止相互問(wèn)的串?dāng)_。
 

6、遠(yuǎn)離其它信號(hào) 

對(duì)差分對(duì)信號(hào)和其它信號(hào)比如TTL信號(hào)，最好使用不同的走線層，如果因?yàn)樵O(shè)計(jì)限制必須使用同一層走線，差分對(duì)和TTL的距離應(yīng)該足夠遠(yuǎn)，至少應(yīng)該大于3~5倍差分線間距。
 

7、差分信號(hào)不可以跨平面分割

盡管兩根差分信號(hào)互為回流路徑，跨分割不會(huì)割斷信號(hào)的回流，但是跨分割部分的傳輸線會(huì)因?yàn)槿鄙賲⒖计矫娑鴮?dǎo)致阻抗的不連續(xù)(如圖箭頭處所示，其中GND1、GND2為L(zhǎng)VDS相鄰的地平面)。
 

8、PADS LAYOUT中層定義選項(xiàng)卡各個(gè)參數(shù)的解釋說(shuō)明：

coating表示涂覆層，如果沒(méi)有涂覆層，就在thickness 中填0,dielectric（介電常數(shù)）填1（空氣）。

substrate表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用FR-4，厚度是通過(guò)阻抗計(jì)算軟件計(jì)算得到，介電常數(shù)為4.2（頻率小于1GHz時(shí)）。

點(diǎn)擊Weight(oz)項(xiàng)，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。

 

9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：

PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成，core其實(shí)也是PP類型介質(zhì)，只不過(guò)他的兩面都覆有銅箔，而PP沒(méi)有，制作多層板時(shí)，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。

 

10、PCB疊層設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)：

（1）、翹曲問(wèn)題

PCB的疊層設(shè)計(jì)要保持對(duì)稱，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對(duì)稱，拿六層板來(lái)說(shuō)，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)翹曲。

（2）、信號(hào)層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號(hào)層和鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。

（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來(lái)隔離信號(hào)層，但建議不要多家電源層來(lái)隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。

（4）、典型的疊層設(shè)計(jì)層分布如下表所示：

（5）、層的排布一般原則：

元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；

所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；

主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰；

兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱。
 

對(duì)于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長(zhǎng)距離布線，對(duì)于板級(jí)工作頻率在50MHZ 以上的

（50MHZ 以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：

元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；

無(wú)相鄰平行布線層；

所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰，不跨分割區(qū)。