使用Q2D分析影响差分线特征阻抗的因素

    几乎所有的高速信号都用差分线进行传输，由于差分线也是传输线类型中的一种，那么在设计差分线时该注意什么呢？或者说有哪些因素会影响到差分线的特征阻抗？

    对于均匀（横截面相同、介质材料的电特性固定）的传输线来说，在不考虑损耗（含介质损耗和导体损耗）的情况下，其特征阻抗可用公式来计算。大家如果能紧紧抓住这个公式，分清楚哪些因素会影响寄生电感L、哪些因素会影响寄生电容C，那么差分阻抗的问题就一目了然， 比如介电常数肯定影响的是电容C，介电常数越大，电容越大，那么特征阻抗就会减小。

    先来看一个用polar SI9000计算的差分特征阻抗截图，当前计算的差分阻抗为100.67ohm，其中影响特征阻抗的因素有9个，各参数对L和C分别有啥影响？大家如果不是很清楚，可以借助了ANSYS Q2D软件来进行分析。

      Q2D软件为二维准静态场求解器，主要用来提取横截面均匀的传输线（不限于传输线，在较短的长度范围内，如果结构的横截面不变化，同样可以用Q2D来确定该小段的特性阻抗）的RLGC寄生参数和特性阻抗等，操作非常简单，也注定Q2D的功能也相对单一些。

以下为软件的具体操作步骤：

1、新建Q2D工程项目，可执行project>insert 2D extractor design，或者点击Q2D小图标，红色方框所示。

2、修改单位modeler>units>mil，然后点击2D Extractor>Design properties，按polar si9000阻抗计算截图建立如下变量：

3、建立差分线模型：

• 3.1  先随便画一个矩形，然后如下坐标更改

  
  

  

• 3.2 选中trace，点击镜像复制图标，在右下角的坐标提示中，先输入X=0、Y=0、Z=0，按Enter键，然后输入dX=1、dY=0、dZ=0，完成镜像复制。

  

• 3.3 画上介质层，同样随便画一个矩形，然后按如下坐标修改，修改名字为sub。

  

• 3.4 画上底层参考GND，同样随便画一个矩形，然后按下图坐标修改，名字改为gnd。
  

• 3.5 画绿油层，同样随便画一个矩形，按如下修改坐标，此为c1厚度绿油；

  

 然后按如下坐标建立铜上的绿油，要用到3.2一样的镜像复制，然后将三个绿油层相加，名字改为soldermask

• 3.6 最终建立好的模型如下：（注意sub和soldermask的属性为copper，其实这两个都是介质，要修改材料属性）。

  

4、材料属性设置，给大家说下怎讲将介质的介电常数DK参数化，如下：在工程目录下，右键material>Edit Library，点击Add material。

重点：如果要对介电常数DK值赋予变量，必须在变量名字前加上美元$，比如绿油的$CEr1=3.2，介质$Er1=4.2，介质损耗tanget=0.02。

最终模型属性定义：

5、定义导体类型：工程目录下，右键conductors>auto assign signals，然后将gnd更改为为reference ground

6、求解设置：求解频率改为5GHz,，同时将最大迭代次数改为20，在CG\RL Advanced下，将收敛次数改为2，防止假收敛。

7、 运行仿真，先check有没有错误：没有错误直接运行即可。

8、定义差分：工程目录下，右键reduce matrix>diff pair，在弹窗中同时显示trace1和trace1_1，点击save and create.

然后在reduce matrix下面有个diffpairMatrix，表示生成差分对成功。

9、查看差分阻抗：在reduce matrix下面有个diffpairMatrix，右键matrix，在弹窗中按红色方框选择TLine Data，可以看到当前差分阻抗为102.2ohm，比计算值大1.6ohm。

关于各参数对性能的影响，不一一举例，以介质sub的介电常数为例说明，其他参数一样！

10、定义参数扫描：在optimic下，右键add>parametric，选择变量$Er1，sweep from 3 to 8，step=1，然后运行仿真。

11、查看介电常数$Er1对差分阻抗和L、C的影响：

注意：primary sweep选择为$Er1，其他按红色标识选择。Zmodel 1为差分模式，model2为共模模式。

• 差分阻抗：介电常数越大，阻抗越小.

• 电感变化的不过0.12，说明介电常数对于电感L几乎没有影响
  

• 介电常数越大，电容越大，这符合电容的定义。
  

其他参数的影响可用同样的方法查看，不再重复。