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      PCB線路板阻抗計算公式

      作者:admin 來源:admin 時間:2019-12-28

      現在關于PCB線路板的阻抗計算方式有很多種,相關的軟件也能夠直接幫您計算阻抗值,今天小捷哥通過polar si9000來和大家下阻抗是怎么計算的?! ≡谧杩褂嬎?..

      現在關于PCB線路板的阻抗計算方式有很多種,相關的軟件也能夠直接幫您計算阻抗值,今天小捷哥通過polar si9000來和大家下阻抗是怎么計算的。


        在阻抗計算說明之前讓我們先了解一下阻抗的由來和意義:


        傳輸線阻抗是從電報方程推導出來(具體可以查詢微波理論)


        如下圖,其為平行雙導線的分布參數等效電路:

         

        從此圖可以推導出電報方程

         

        取傳輸線上的電壓電流的正弦形式

         

            得

         

           推出通解
           
           
           
      定義出特性阻抗
           
           
      無耗線下r=0, g=0 得
           
          
       注意,此特性阻抗和波阻抗的概念上的差異(具體查看平面波的波阻抗定義) 


           特性阻抗與波阻抗之間關系可從 此關系式推出.


        Ok,理解特性阻抗理論上是怎么回事情,看看實際上的意義,當電壓電流在傳輸線傳播的時候,如果特性阻抗不一致所求出的電報方程的解不一致,就造成所謂的反射現象等等.在信號完整性領域里,比如反射,串擾,電源平面切割等問題都可以歸類為阻抗不連續問題,因此匹配的重要性在此展現出來.


        疊層(stackup)的定義


        我們來看如下一種stackup,主板常用的8 層板(4 層power/ground 以及4 層走線層,sggssggs,分別定義為L1, L2…L8)因此要計算的阻抗為L1,L4,L5,L8

           


        下面熟悉下在疊層里面的一些基本概念,和廠家打交道經常會使用的


        Oz 的概念

        Oz 本來是重量的單位Oz(盎司 )=28.3 g(克)

        在疊層里面是這么定義的,在一平方英尺的面積上鋪一盎司的銅的厚度為1Oz,對應的單位如下

           


        介電常數(DK)的概念
        電容器極板間有電介質存在時的電容量Cx 與同樣形狀和尺寸的真空電容量Co之比為介電常數:
        ε = Cx/Co = ε'-ε"

         Prepreg/Core 的概念
        pp 是種介質材料,由玻璃纖維和環氧樹脂組成,core 其實也是pp 類型介質,只不過他兩面都覆有銅箔,而pp 沒有.


        傳輸線特性阻抗的計算


        首先,我們來看下傳輸線的基本類型,在計算阻抗的時候通常有如下類型: 微帶線和帶狀線,對于他們的區分,最簡單的理解是,微帶線只有1 個參考地,而帶狀線有2個參考地,如下圖所示

          


        對照上面常用的8 層主板,只有top 和bottom 走線層才是微帶線類型,其他的走線層都是帶狀線類型


        在計算傳輸線特性阻抗的時候, 主板阻抗要求基本上是:單線阻抗要求55 或者60Ohm,差分線阻抗要求是70~110Ohm,厚度要求一般是1~2mm,根據板厚要求來分層得到各厚度高度.


        在此假設板厚為1.6mm,也就是63mil 左右, 單端阻抗要求60Ohm,差分阻抗要求100Ohm,我們假設以如下的疊層來走線。


           


        先來計算微帶線的特性阻抗,由于top 層和bottom 層對稱,只需要計算top 層阻抗就好的,采用polar si6000,對應的計算圖形如下:


            


        在計算的時候注意的是:


        1,你所需要的是通過走線阻抗要求來計算出線寬W(目標)


        2,各廠家的制程能力不一致,因此計算方法不一樣,需要和廠家進行確認


        3,表層采用coated microstrip 計算的原因是,廠家會有覆綠漆,因而沒用surface microstrip 計算,但是也有廠家采用surface microstrip 來計算的,它是經過校準的


        4,w1 和w2 不一樣的原因在于pcb 板制造過程中是從上到下而腐蝕,因此腐蝕出來有梯形的感覺(當然不完全是)


        5,在此沒計算出精確的60Ohm 阻抗,原因是實際制程的時候廠家會稍微改變參數,沒必要那么精確,在1,2ohm 范圍之內我是覺得沒問題


        6,h/t 參數對應你可以參照疊層來看


        再計算出L5 的特性阻抗如下圖


            

        記得當初有各版本對于stripline 還有symmetrical stripline 的計算圖,實際上的差異從字面來理解就是symmetrical stripline 其實是offset stripline 的特例H1=H2


        在計算差分阻抗的時候和上面計算類似,除所需要的通過走線阻抗要求來計算出線寬的目標除線寬還有線距,在此不列出


        選用的圖是


            
            


        在計算差分阻抗注意的是:


        在滿足DDR2 clock 85Ohm~1394 110Ohm 差分阻抗的同時又滿足其單端阻抗,因此我通常選擇的是先滿足差分阻抗(很多是電流模式取電壓的)再考慮單端阻抗(通常板廠是不考慮的,實際做很多板子,問題確實不算大,看樣子差分線還是走線同層同via 同間距要求一定要符合)


        特性阻抗公式 (含微帶線,帶狀線的計算公式)


        a.微帶線(microstrip)


        Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中,W為線寬,T為走線的銅皮厚度,H為走線到參考平面的距離,Er是PCB板材質的介電常數(dielectric constant)。此公式必須在0.1<(W/H)<2.0及1<(Er)<15的情況才能應用。


        b.帶狀線(stripline)


        Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(0.8W+T)]} 其中,H為兩參考平面的距離,并且走線位于兩參考平面的中間。此公式必須在W/H<0.35及T/H<0.25的情況才能應用


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