DDR4信號(hào)參考電源層，阻抗會(huì)有影響嗎？
發(fā)布時(shí)間：2021-11-01 16:50
作者：一博科技高速先生自媒體成員 周偉
自從實(shí)驗(yàn)室有了儀器，雷豹對(duì)阻抗的原理和阻抗測(cè)試突然來(lái)了興致，一有機(jī)會(huì)就想著去親自測(cè)試一下自己計(jì)算的線(xiàn)路阻抗和加工出來(lái)的阻抗是不是一樣，如果不一樣大概會(huì)有多大的偏差。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，雷豹的這種不斷探索和自我懷疑的精神值得我們學(xué)習(xí)，所謂實(shí)踐出真理，精確的仿真能夠保證測(cè)試的性能，同時(shí)精確的測(cè)試又是提高仿真精度的必要條件，仿真和測(cè)試驗(yàn)證往往是相輔相成，在高速信號(hào)的成功實(shí)現(xiàn)上缺一不可，結(jié)合一定的理論和工程實(shí)踐，仿真和測(cè)試組成了我們解決SI問(wèn)題的一個(gè)良好閉環(huán)。
我們都知道PCB上的線(xiàn)路主要有微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)，兩種線(xiàn)路的阻抗計(jì)算公式分別如下圖所示。
從圖中可以看出，線(xiàn)路的阻抗也就和下面幾種因素相關(guān)：
1、 介電常數(shù)Er：材料性質(zhì)的一種, 簡(jiǎn)單的含義是在單位電壓下, 單位容量?jī)?nèi)材料可存儲(chǔ)的靜電能；其數(shù)字代表的意義為材料的電容比(相對(duì)于該材料在真空時(shí)的電容)，又稱(chēng)為漏(透)電率 permittivity。通常空氣的介電常數(shù)為1，我們常說(shuō)的FR4大約為4.3±0.4，計(jì)算阻抗的時(shí)候要按照所選的材料來(lái)進(jìn)行調(diào)整。在記不住公式的情況下，我們只需要知道介電常數(shù)和阻抗成反比，介電常數(shù)增大,阻抗變小。
（備注：更多的時(shí)候這個(gè)Er指的是相對(duì)介電常數(shù)，尤其是針對(duì)微帶線(xiàn)的情況，此時(shí)還要考慮綠油的厚度和介電常數(shù)，所以通常為什么說(shuō)微帶線(xiàn)的阻抗更不好控制也是這個(gè)道理，變量比較多）。
2、 線(xiàn)寬W：線(xiàn)寬很容易理解，就是信號(hào)線(xiàn)本身的寬度，線(xiàn)寬也和阻抗成反比，線(xiàn)寬增加阻抗變小。
3、 銅厚T：銅厚和線(xiàn)寬一樣，就是信號(hào)線(xiàn)本身的厚度，銅厚也和線(xiàn)寬成反比，銅厚增加阻抗變小。
4、 線(xiàn)路到參考平面的距離H：此時(shí)微帶線(xiàn)只有一個(gè)參考，而帶狀線(xiàn)有上下兩個(gè)參考，這也是兩者的本質(zhì)區(qū)別，通常這個(gè)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(gè)和阻抗成正比的因素）。
看到這里，雷豹心里就有了一個(gè)疑問(wèn)，對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)，或者對(duì)于阻抗計(jì)算來(lái)說(shuō)，通常認(rèn)為只要信號(hào)上面或者下面是平面層（不管平面層是地還是電源），這個(gè)平面層都是作為我們計(jì)算阻抗的參考；但從信號(hào)回流的角度考慮，信號(hào)最終是和回流平面形成的一個(gè)環(huán)路，如果信號(hào)上面或下面的平面層不是信號(hào)的直接回流平面，比如我們見(jiàn)到比較多的類(lèi)似下圖所示的6層板或者8層板疊層，中間的信號(hào)層S1/S2和S3如果參考了一層電源，那么這個(gè)電源層就不是信號(hào)的直接回流層，此時(shí)回流路徑變長(zhǎng)，這個(gè)電源層是否還是可以作為阻抗的參考，實(shí)際測(cè)試的信號(hào)阻抗是否會(huì)有影響呢？
這種疊層非常常見(jiàn)，而且很多時(shí)候內(nèi)層還會(huì)放置一些重要的如DDR4等信號(hào)，比如下面的真實(shí)PCB設(shè)計(jì)。
圖中白色為Art05層上的DDR4信號(hào)，綠色是Pwr04層上的Vcc電源，黃色為芯片內(nèi)部的地pin和過(guò)孔，可以看到在第四層處地孔和電源層是斷開(kāi)的，這個(gè)時(shí)候我們?nèi)y(cè)試這部分的線(xiàn)路阻抗時(shí)，探頭一端在信號(hào)pin上，地針肯定是在地pin處，而第四層Pwr04對(duì)于信號(hào)的回流來(lái)講就相當(dāng)于是一個(gè)浮空層，此時(shí)我們?cè)趯?shí)際測(cè)試阻抗的時(shí)候或者制作阻抗Coupon條的時(shí)候，會(huì)不會(huì)由于這個(gè)參考的不一致而導(dǎo)致阻抗有差異呢？
一時(shí)間可能沒(méi)法區(qū)分兩種情況的具體差別，我們還是用下面這個(gè)圖來(lái)解釋一下，其中唯一的區(qū)別就是在信號(hào)上面的參考層上，左邊是實(shí)際的情況，地孔穿過(guò)電源層沒(méi)有和電源層有實(shí)際的接觸，相當(dāng)于電源層是一個(gè)浮空的層，而右邊就是阻抗計(jì)算理想的情況，信號(hào)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(qū)別就是地孔有沒(méi)有和信號(hào)上面平面層的接觸（阻抗測(cè)試的時(shí)候一端需要點(diǎn)在地孔的焊盤(pán)上）。
這兩種情況，根據(jù)線(xiàn)路的阻抗公式，信號(hào)到上下平面的距離都是一樣的，從橫截面的角度看過(guò)去，可以說(shuō)參考也是一樣，所以根據(jù)阻抗公式或者切片計(jì)算出來(lái)的阻抗應(yīng)該是一樣的；但如果去測(cè)試阻抗，由于測(cè)試點(diǎn)地孔及回流的差異，實(shí)際測(cè)試出來(lái)的阻抗會(huì)和阻抗計(jì)算或者切片計(jì)算出來(lái)的阻抗一樣嗎？如果不一樣，左邊實(shí)際測(cè)試出來(lái)的阻抗是偏高還是偏低呢？為什么？
