在PCB布線(xiàn)中使用(yòng)電(diàn)磁求解器提取寄生参数

2022-04-14

在PCB布線(xiàn)中使用(yòng)電(diàn)磁求解器提取寄生参数

寄生参数提取：集成電(diàn)路设计界每天都必须处理(lǐ)这项任務(wù)，尤其是当栅极特征减少到~350 nm 以下并且芯片以高开关速度运行时。PCB社區(qū)也必须处理(lǐ)这个想法，以便更好地设计電(diàn)力传输网络、具有(yǒu)精确阻抗的互连以及正确量化串扰和耦合机制。有(yǒu)许多(duō)第三方应用(yòng)程序可(kě)用(yòng)于从您的布局中提取特定几何形状的寄生参数，但这些工具的结果对于大多(duō)数设计软件来说是不切实际的。

為(wèi)什么要担心PCB中的寄生效应？我们如何在设计过程中处理(lǐ)这些问题？有(yǒu)意和无意的寄生效应对PCB中的信号和電(diàn)源行為(wèi)负有(yǒu)全部责任。在计算阻抗时，实际上是在计算两个重要的寄生参数，并且将它们用(yòng)作路由引擎的一部分(fēn)。您还可(kě)以将这些值用(yòng)于串扰预测、涉及瞬态和振铃的功率模拟，甚至将ESD脉冲耦合到暴露的迹線(xiàn)中。

痕迹的寄生提取

您创建的PCB叠层将部分(fēn)确定影响导體(tǐ)的寄生参数。您实际上不需要复杂的场求解器来确定PCB布局中特定走線(xiàn)周围出现的寄生效应。您在PCB布局中放置的走線(xiàn)将具有(yǒu)一些决定其阻抗的自然寄生電(diàn)容和電(diàn)感。然而，如果你在走線(xiàn)附近放一些铜，它们将是一些额外的互電(diàn)容和電(diàn)感，会改变走線(xiàn)的阻抗。实际上，可(kě)以使用(yòng)阻抗计算器工具以及文(wén)献或场求解器实用(yòng)程序（Ansys、COMSOL 等）中的一些分(fēn)析公式来确定这些寄生值。

对于 PCB上的单个走線(xiàn)（无论其宽度如何），您可(kě)以通过两种方法获得寄生電(diàn)容和電(diàn)感：

直接计算，需要场求解器或期刊文(wén)章中的一些复杂分(fēn)析公式

通过比较计算，包括将无寄生阻抗计算与耦合迹線(xiàn)阻抗计算进行比较

第一点，直接计算，非常强大，需要一些昂贵的软件。您还可(kě)以在文(wén)献中找到特定结构的公式，但这些公式通常非常复杂，可(kě)能(néng)涉及数十个参数。不同结构的互耦合公式也几乎没有(yǒu)泛化性。

第二点，比较确定，如果你有(yǒu)可(kě)用(yòng)的公式，其实比较简单，只是比较不同计算器的阻抗值。这基本上是我在上一篇关于覆铜和 50 欧姆阻抗微带/带状線(xiàn)之间的间隙的文(wén)章中所做的；通过比较特定宽度的阻抗值，可(kě)以确定寄生效应何时会对阻抗产生显着影响。

在接下来的部分(fēn)中，我将采用(yòng)类似的方法，但我将使用(yòng) Altium Designer 中的场求解器来生成结果。使用(yòng)单端走線(xiàn)阻抗计算的结果，然后将这些结果与其他(tā)走線(xiàn)阻抗计算进行比较，您可(kě)以通过一些简单的公式快速提取寄生参数的值。

方法

此处的方法很(hěn)简单，它依赖于将隔离迹線(xiàn)的阻抗计算与具有(yǒu)寄生效应的迹線(xiàn)的阻抗计算进行比较。这样，您就可(kě)以计算出寄生参数的值，即互電(diàn)容和電(diàn)感。请注意，在此示例中，我们使用(yòng)的是无损阻抗，因為(wèi)这是 Altium Designer 中返回的值。但是，它确实可(kě)以非常准确地估计高达 GHz 频率的寄生参数。

无寄生效应（左）和有(yǒu)寄生效应（右）的 PCB走線(xiàn)与安静線(xiàn)或平面的无损阻抗公式。

请注意，任何计算器应用(yòng)程序（例如我在其他(tā)博客中创建的计算器）或 Altium Designer 中的层堆栈管理(lǐ)器只会返回L或L p。由于分(fēn)子是传播常数，我们现在有(yǒu) 2 个方程和 2 个未知数，因此可(kě)以求解系统以获得寄生参数。这个模型是从 Telegraphers 方程推导出来的，假设有(yǒu)一个平面或附近的迹線(xiàn)到所讨论的線(xiàn)路，附近的导體(tǐ)保持安静。

当您在层堆栈管理(lǐ)器中创建阻抗配置文(wén)件时，您可(kě)以从阻抗选项卡中找到 L或L p的值。如下所示，我们将微带線(xiàn)与共面微带線(xiàn)进行比较；两者具有(yǒu)相同的宽度。通过这种比较，我们可(kě)以准确地确定附近接地倾倒的存在引入了多(duō)少寄生電(diàn)容。

该结果表明，在距离附近平面 8 mil 的 8 mil 衬底上，14.423 mil 宽的微带線(xiàn)将具有(yǒu) 64.5 fF 的寄生電(diàn)容和 755 pH 的寄生電(diàn)感，由附近的平面引入。这比使用(yòng)诸如互阻抗和自阻抗（Z 参数矩阵）之类的东西用(yòng)于迹線(xiàn)和其他(tā)一些结构要快得多(duō)。

平面附近的单迹線(xiàn)

这涉及通过以下过程比较单个迹線(xiàn)和共面線(xiàn)阻抗：

為(wèi)微带線(xiàn)或带状線(xiàn)选择基板厚度和走線(xiàn)宽度。注意電(diàn)感和電(diàn)容值。

使用(yòng)共面線(xiàn)设置相同的迹線(xiàn)。选择到地面浇筑起点的大间距。注意電(diàn)感和電(diàn)容值。

调整地面浇筑间距并计算阻抗。

使用(yòng)来自 3 的数据和上面的等式计算互阻抗和電(diàn)容。

转到步骤 1 并重复新(xīn)的基板厚度/Dk 值。

当您根据步骤 5 遍历一系列值时，您可(kě)以构建一个显示互電(diàn)容電(diàn)感值的图表，如下所示。

下图显示了 Dk = 4.2 的 8 mil 和 4 mil 厚基板的微带線(xiàn)结果；相应的走線(xiàn)宽度分(fēn)别為(wèi) 14 mil 和 7 mil。这里的想法是保持相同的 W/H 比率，因為(wèi)该值主要负责设置走線(xiàn)的阻抗。从下图中，我们可(kě)以立即看到更薄的基板提供了更低的寄生電(diàn)容，因此我们预计高频串扰会更低。

看看您是否可(kě)以继续这个参数变化过程，以提取不同基板厚度值和走線(xiàn)宽度的更多(duō)趋势。这里的结果也可(kě)以用(yòng)于对称和不对称的带状線(xiàn)。

在这里，有(yǒu)一个明确的解决方案来解决返回附近接地覆铜區(qū)域的多(duō)余寄生電(diàn)容的问题：使用(yòng)更薄的電(diàn)介质。请注意，当间距变小(xiǎo)时，对寄生電(diàn)感的影响几乎与接地倾倒的间距无关，这说明接地倾倒在抑制低速串扰方面不是那么有(yǒu)用(yòng)，但它可(kě)能(néng)对抑制高频噪声更有(yǒu)用(yòng)。

靠近另一条迹線(xiàn)的单条迹線(xiàn)（相同宽度）

对于耦合線(xiàn)，您还可(kě)以获得两条走線(xiàn)之间的互電(diàn)容和電(diàn)感值。但是，请注意，上面的模型处理(lǐ)的是单端走線(xiàn)，而我们使用(yòng)的是差分(fēn)模型，因此在求解联立方程以获得寄生效应之前，我们必须将返回的差分(fēn)阻抗减少 2 倍。在下面的结果中，我对微带走線(xiàn)使用(yòng)了相同的两种基板类型（同样，Dk = 4.2）并通过走線(xiàn)分(fēn)离进行迭代以确定寄生效应。请注意，这不是使用(yòng)与任何接地覆铜（非共面）的间距来执行的。

与单端微带線(xiàn)的情况一样，您可(kě)以将相同类型的模型和程序应用(yòng)于带状線(xiàn)。我们看到了更高的互感，正如我们对更窄的导體(tǐ)部分(fēn)所期望的那样。

寄生效应和信号完整性

当我们继续讨论互连设计和确定可(kě)接受的迹線(xiàn)密度限制时，我将在即将发表的一些文(wén)章中使用(yòng)其中一些结果来分(fēn)析串扰。这种比较方法简单但功能(néng)强大，它可(kě)以帮助您检查寄生效应在高速/高频迹線(xiàn)中开始产生带限效应的水平。

除了阻抗和串扰之外，寄生效应的另一个重要方面是布線(xiàn)，特别是差分(fēn)对和高频信号。寄生效应以两种方式影响信号：

差分(fēn)对中的偏移：一条線(xiàn)上的寄生（主要是電(diàn)容）会降低相对于另一条線(xiàn)的信号速度，从而导致过度偏移。如果偏斜过大，这可(kě)能(néng)会导致每个极性信号的边沿速率失准。

RF 信号中的相位响应：由于寄生效应引起的传播常数变化会导致互连的相位响应发生变化。这对于边缘耦合波导、表面层发射器、任何依赖谐振来定义其传递函数的電(diàn)路以及以串联级联方式排列的任何这些元件都很(hěn)重要。这是我在高频互连设计课上教授的一个更高级的主题，但我会在未来创建更多(duō)关于此的文(wén)章。

对于差分(fēn)对上承载的数字信号，解决方案很(hěn)简单：保持走線(xiàn)及其周围的对称性，并强制長(cháng)度匹配。虽然長(cháng)度匹配不一定是完美的，但 CAD 工具可(kě)以很(hěn)容易地接近完美。应始终强制执行某种程度的長(cháng)度匹配，以确保信号边缘速率在接收器处保持同步。您会注意到阻抗计算器还计算了包含寄生效应的传播延迟，因此可(kě)以执行延迟调谐。基于时间的長(cháng)度调整（又(yòu)称延迟调整）确保您始终在 PCB布局中应用(yòng)准确的長(cháng)度匹配结构。

Altium Designer ®中的交互式布線(xiàn)和层堆叠创建功能(néng)允许您执行一系列寄生提取任務(wù)。只需使用(yòng)层堆栈管理(lǐ)器中的内置電(diàn)磁场求解器来处理(lǐ)各种迹線(xiàn)几何形状，然后按照上述步骤确定对其他(tā)迹線(xiàn)或平面的寄生。当您准备好向您的制造商(shāng)发布您的電(diàn)路板制造文(wén)件和图纸时，Altium 365 ™平台可(kě)以让您轻松协作和共享您的项目。