【導讀】電路模型的作用 一流的 PCB 設(shè)計和分析工具無需根據(jù)電路模型來檢查阻抗、噪聲和其他效應。不過，電路模型有助于描述 PCB layout 中各種復雜功能和電氣行為。例如，基于基礎(chǔ)無源元件構(gòu)建的電路模型（RLC 電路）可以描述串擾造成的 EMI 、噪聲敏感性等一系列現(xiàn)象。 串擾通過兩種機制耦合：電容和電感。如果想減少互連之間的串擾，就需要知道各自的電感值。計算地平面上方走線有好幾種簡單的方法，如微帶線或帶狀線的電感計算。若論更高級、更精準的方法，則需要用到多種技術(shù)，尤其是考慮到系統(tǒng)中的信號損耗時。
本文要點
PCB 走線的電感決定了接收的串擾強度。
PCB 互連設(shè)計的一大挑戰(zhàn)是保持系統(tǒng)阻抗，同時減少串擾，因此需要降低走線的電感。
設(shè)計人員需要使用數(shù)值工具和合適的分析公式來計算 PCB 走線的電感。
1. 電路模型的作用 一流的 PCB 設(shè)計和分析工具無需根據(jù)電路模型來檢查阻抗、噪聲和其他效應。不過，電路模型有助于描述 PCB layout 中各種復雜功能和電氣行為。例如，基于基礎(chǔ)無源元件構(gòu)建的電路模型（RLC 電路）可以描述串擾造成的 EMI 、噪聲敏感性等一系列現(xiàn)象。 串擾通過兩種機制耦合：電容和電感。如果想減少互連之間的串擾，就需要知道各自的電感值。計算地平面上方走線有好幾種簡單的方法，如微帶線或帶狀線的電感計算。若論更高級、更精準的方法，則需要用到多種技術(shù)，尤其是考慮到系統(tǒng)中的信號損耗時。
圖1：走線形成了具有一定電感的導體環(huán)路
2. 地平面上方走線電感的計算公式 要計算微帶線或帶狀線走線電感，首先要計算走線特性阻抗和信號在走線上的傳播延遲。這兩個參數(shù)與地平面上方走線的電感和電容直接相關(guān)。走線特性阻抗、傳播延遲、電感、電容和損耗之間的關(guān)系可通過電報方程確定。 以下兩個方程用于計算無損耗傳輸線的電感和電容。只需將方程相乘，即可得出電感值：
圖2：地平面上方走線的電感方程
需要注意的是，該公式只適用于特定類型的傳輸線，即沒有任何介質(zhì)損耗、輻射損耗或趨膚效應損耗的傳輸線。但這一模型仍然有應用價值，適用于一切傳輸線或準 TEM 波導，包括：
地平面上方的表層微帶線
內(nèi)層兩個地平面之間的帶狀線
共面波導和模式選擇波導
所有上述形式的 PCB 互連都位于某些地平面之上或之間，可以測量或計算其阻抗。只要知道互連器件的特性阻抗 Z0 和介電常數(shù)，就可以根據(jù)上述方程確定電感值（忽略損耗）。 3. 實際情況：數(shù)字信號是寬帶信號 上述（計算電感的）方法在客觀上存在問題：數(shù)字信號實際上是寬帶信號，但是 PCB 基板中的色散會導致傳播延遲，阻抗也會成為頻率的函數(shù)，即使在可以忽略走線直流電阻的高頻下也是如此。此外，由于趨膚效應和粗糙度，銅也會產(chǎn)生損耗。因此，不能隨意選擇一個頻率來計算阻抗和電感。 4. 如何獲得 Z0 值 如果只選擇單一頻率，并且忽略損耗，我們?nèi)匀豢梢詮囊韵聛碓传@得 Z0 關(guān)于結(jié)構(gòu)的函數(shù)： 1. IPC-2142 標準包含帶狀線和微帶線阻抗的經(jīng)驗公式。 2. 教科書中列有使用保角映射法確定的標準公式。Brian C. Waddell 的《輸電線路設(shè)計手冊》(Transmission Line Design Handbook) 中列出了最全面的走線阻抗公式。 然后，可以使用計算出的阻抗來得出電感。對于 PCB 表層上的走線，介電常數(shù)為“有效”介電常數(shù)。該值通常通過用于計算阻抗的公式給出。直觀地說，我們應該已經(jīng)看到，走線離接地平面較遠時，走線和地平面形成的環(huán)路就更大，如圖3微帶線走線所示。改變走線的寬度也會影響電感。
圖3：h 和 w 的值決定了走線在地平面上方的環(huán)路電感
這些計算公式針對的是孤立的傳輸線，并不考慮寄生效應。由于地平面上方走線的阻抗和電感取決于走線的幾何形狀和周圍的寄生效應，我們需要更精確的方法來確定阻抗和電感。 5. 利用場求解器計算阻抗和電感 準確計算阻抗和電感的方法之一是使用場求解器。這些工具無需使用電路模型，就能準確考慮到走線幾何形狀和周圍的寄生效應。如今的高級 ECAD 應用都包含一個 3D 場求解器，用于計算基本傳輸線和解決復雜的多物理場問題。對于阻抗計算，結(jié)果通常以熱圖的形式顯示；圖4列出了一些 DDR3 走線示例的結(jié)果。
圖4：場求解器工具可以確定走線沿其長度方向的阻抗。然后，可以使用該值和介電常數(shù)來確定接地平面上方走線的電感
并非所有的場求解器都能計算高達 GHz 頻率的銅粗糙度，而這一參數(shù)對于 PAM-4 互連、微波光電子、汽車/無人機雷達等技術(shù)以及其他涉及極高頻率的領(lǐng)域非常重要。不過，隨著高級產(chǎn)品的功能不斷擴展，未來將使用標準銅粗糙度模型來計算高頻下的趨膚效應阻抗。
(本文轉(zhuǎn)載自：Cadence楷登PCB及封裝資源中心微信公眾號)
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