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    DDR4信號參考電源層,阻抗會有影響嗎?

    來源:一博自媒體 時間:2021-11-1 類別:微信自媒體

    公眾號:高速先生
    作者:周偉

    自從實驗室有了儀器,雷豹對阻抗的原理和阻抗測試突然來了興致,一有機會就想著去親自測試一下自己計算的線路阻抗和加工出來的阻抗是不是一樣,如果不一樣大概會有多大的偏差。對于初學者來說,雷豹的這種不斷探索和自我懷疑的精神值得我們學習,所謂實踐出真理,精確的仿真能夠保證測試的性能,同時精確的測試又是提高仿真精度的必要條件,仿真和測試驗證往往是相輔相成,在高速信號的成功實現上缺一不可,結合一定的理論和工程實踐,仿真和測試組成了我們解決SI問題的一個良好閉環。

    我們都知道PCB上的線路主要有微帶線和帶狀線,兩種線路的阻抗計算公式分別如下圖所示。
    從圖中可以看出,線路的阻抗也就和下面幾種因素相關:

    1、 介電常數Er:材料性質的一種, 簡單的含義是在單位電壓下, 單位容量內材料可存儲的靜電能;其數字代表的意義為材料的電容比(相對于該材料在真空時的電容),又稱為漏(透)電率 permittivity。通??諝獾慕殡姵禐?,我們常說的FR4大約為4.3±0.4,計算阻抗的時候要按照所選的材料來進行調整。在記不住公式的情況下,我們只需要知道介電常數和阻抗成反比,介電常數增大,阻抗變小。

    (備注:更多的時候這個Er指的是相對介電常數,尤其是針對微帶線的情況,此時還要考慮綠油的厚度和介電常數,所以通常為什么說微帶線的阻抗更不好控制也是這個道理,變量比較多)。

    2、 線寬W:線寬很容易理解,就是信號線本身的寬度,線寬也和阻抗成反比,線寬增加阻抗變小。

    3、 銅厚T:銅厚和線寬一樣,就是信號線本身的厚度,銅厚也和線寬成反比,銅厚增加阻抗變小。

    4、 線路到參考平面的距離H:此時微帶線只有一個參考,而帶狀線有上下兩個參考,這也是兩者的本質區別,通常這個到參考的距離H和阻抗成正比,距離增大阻抗也增大(記?。哼@也是阻抗公式里唯一一個和阻抗成正比的因素)。

    看到這里,雷豹心里就有了一個疑問,對于信號來說,或者對于阻抗計算來說,通常認為只要信號上面或者下面是平面層(不管平面層是地還是電源),這個平面層都是作為我們計算阻抗的參考;但從信號回流的角度考慮,信號最終是和回流平面形成的一個環路,如果信號上面或下面的平面層不是信號的直接回流平面,比如我們見到比較多的類似下圖所示的6層板或者8層板疊層,中間的信號層S1/S2和S3如果參考了一層電源,那么這個電源層就不是信號的直接回流層,此時回流路徑變長,這個電源層是否還是可以作為阻抗的參考,實際測試的信號阻抗是否會有影響呢?
    這種疊層非常常見,而且很多時候內層還會放置一些重要的如DDR4等信號,比如下面的真實PCB設計。
    圖中白色為Art05層上的DDR4信號,綠色是Pwr04層上的Vcc電源,黃色為芯片內部的地pin和過孔,可以看到在第四層處地孔和電源層是斷開的,這個時候我們去測試這部分的線路阻抗時,探頭一端在信號pin上,地針肯定是在地pin處,而第四層Pwr04對于信號的回流來講就相當于是一個浮空層,此時我們在實際測試阻抗的時候或者制作阻抗Coupon條的時候,會不會由于這個參考的不一致而導致阻抗有差異呢?

    一時間可能沒法區分兩種情況的具體差別,我們還是用下面這個圖來解釋一下,其中唯一的區別就是在信號上面的參考層上,左邊是實際的情況,地孔穿過電源層沒有和電源層有實際的接觸,相當于電源層是一個浮空的層,而右邊就是阻抗計算理想的情況,信號上下都是參考了地,且地孔也是和所有的參考層都有接觸。唯一的區別就是地孔有沒有和信號上面平面層的接觸(阻抗測試的時候一端需要點在地孔的焊盤上)。
    這兩種情況,根據線路的阻抗公式,信號到上下平面的距離都是一樣的,從橫截面的角度看過去,可以說參考也是一樣,所以根據阻抗公式或者切片計算出來的阻抗應該是一樣的;但如果去測試阻抗,由于測試點地孔及回流的差異,實際測試出來的阻抗會和阻抗計算或者切片計算出來的阻抗一樣嗎?如果不一樣,左邊實際測試出來的阻抗是偏高還是偏低呢?為什么?
     

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