差分電荷密度分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
差分電荷密度分析的實(shí)例教程
使用Q2D分析影響差分線特征阻抗的因素 ￥0.5
幾乎所有的高速信號(hào)都用差分線進(jìn)行傳輸，由于差分線也是傳輸線類型中的一種，那么在設(shè)計(jì)差分線時(shí)該注意什么呢？或者說(shuō)有哪些因素會(huì)影響到差分線的特征阻抗？
對(duì)于均勻（橫截面相同、介質(zhì)材料的電特性固定）的傳輸線來(lái)說(shuō)，在不考慮損耗（含介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗）的情況下，其特征阻抗可用公式來(lái)計(jì)算。大家如果能緊緊抓住這個(gè)公式，分清楚哪些因素會(huì)影響寄生電感L、哪些因素會(huì)影響寄生電容C，那么差分阻抗的問(wèn)題就一目了然， 比如介電常數(shù)肯定影響的是電容C，介電常數(shù)越大，電容越大，那么特征阻抗就會(huì)減小。
先來(lái)看一個(gè)用polar SI9000計(jì)算的差分特征阻抗截圖，當(dāng)前計(jì)算的差分阻抗為100.67ohm，其中影響特征阻抗的因素有9個(gè)，各參數(shù)對(duì)L和C分別有啥影響？大家如果不是很清楚，可以借助了ANSYS Q2D軟件來(lái)進(jìn)行分析。
Q2D軟件為二維準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)求解器，主要用來(lái)提取橫截面均勻的傳輸線（不限于傳輸線，在較短的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，如果結(jié)構(gòu)的橫截面不變化，同樣可以用Q2D來(lái)確定該小段的特性阻抗）的RLGC寄生參數(shù)和特性阻抗等，操作非常簡(jiǎn)單，也注定Q2D的功能也相對(duì)單一些。
展開(kāi) 但在某些設(shè)計(jì)中，高速差分過(guò)孔之間也會(huì)產(chǎn)生較大的串?dāng)_，本文對(duì)高速差分過(guò)孔之間的產(chǎn)生串?dāng)_的情況提供了實(shí)例仿真分析和解決方法。
高速差分過(guò)孔間的串?dāng)_
EDA365電子論壇
對(duì)于板厚較厚的PCB來(lái)說(shuō)，板厚有可能達(dá)到2.4mm或者3mm。以3mm的單板為例，此時(shí)一個(gè)通孔在PCB上Z方向的長(zhǎng)度可以達(dá)到將近118mil。如果PCB上有0.8mm pitch的BGA的話，BGA器件的扇出過(guò)孔間距只有大約31.5mil。
如圖1所示，兩對(duì)相鄰差分過(guò)孔之間Z方向的并行長(zhǎng)度H大于100mil，而兩對(duì)差分過(guò)孔在水平方向的間距S=31.5mil。在過(guò)孔之間Z方向的并行距離遠(yuǎn)大于水平方向的間距時(shí)，就要考慮高速信號(hào)差分過(guò)孔之間的串?dāng)_問(wèn)題。
順便提一下，高速PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該盡可能最小化過(guò)孔stub的長(zhǎng)度，以減少對(duì)信號(hào)的影響。如下圖所1示，靠近Bottom層走線這樣Stub會(huì)比較短。或者可以采用背鉆的方式。
圖1：高速差分過(guò)孔產(chǎn)生串?dāng)_的情況（H>100mil, S=31.5mil ）
差分過(guò)孔間串?dāng)_的仿真分析
EDA365電子論壇
下面是對(duì)一個(gè)板厚為3mm，0.8mm BGA扇出過(guò)孔pitch為31.5mil，過(guò)孔并行距離H=112mil的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行的仿真。
展開(kāi) 本研究基于第一性原理模擬，采用VASP分別計(jì)算含缺陷，雜質(zhì)元素N,O的石墨與純石墨的電子結(jié)構(gòu)信息，如差分電荷和態(tài)密度，分析其電子結(jié)構(gòu)信息的差異；并且計(jì)算了Li離子在以上幾種石墨材料中的擴(kuò)散能壘，分析了缺陷對(duì)Li電池性能的影響。
具體步驟:
1) 分別構(gòu)建純的石墨（C），摻雜N和C空位缺陷的石墨（C1），以及摻雜了N，O，和C空位缺陷的石墨（C2）；并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
2) 計(jì)算DOS和PDOS。分析可知摻雜元素對(duì)活性的影響。
C的總態(tài)密度以及各元素分態(tài)密度和軌道分態(tài)密度
C1的總態(tài)密度以及各元素分態(tài)密度和軌道分態(tài)密度
C2的總態(tài)密度以及各元素分態(tài)密度和軌道分態(tài)密度
3) 進(jìn)一步分析計(jì)算Li離子在石墨層間的電子結(jié)構(gòu)信息（圖為差分電荷，從左到右分別是C, C1, C2）。紅色區(qū)域電子聚集，綠色區(qū)域電子丟失。可以發(fā)現(xiàn)摻雜對(duì)活性影響很大 。
4) 選擇合適的擴(kuò)散路徑，通過(guò)過(guò)渡態(tài)搜索，計(jì)算其擴(kuò)散能壘。
Li在C, C1, C2中的擴(kuò)散路徑軌跡圖（均是從上往下）
結(jié)論：C, C1, C2中Li離子的遷移能壘大小順序?yàn)椋篊2<C1<C。即缺陷和摻雜可以減小Li離子的遷移能壘，有利于擴(kuò)散。
關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)：
從左到右以此為：基本參數(shù)+精度與收斂準(zhǔn)則+幾何優(yōu)化參數(shù)+過(guò)渡態(tài)參數(shù)
總結(jié)：
過(guò)渡態(tài)搜索過(guò)程看似簡(jiǎn)單，實(shí)則暗藏玄機(jī)，好的初末態(tài)結(jié)構(gòu)是解決問(wèn)題的法寶。本研究中，Li離子容易被空位缺陷捕獲，難以遷移，一旦Li離子落入“C陷阱”;，再難發(fā)揮其電流搬運(yùn)的能力啦！
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差分電荷密度分析的最新內(nèi)容
在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常我們關(guān)注的串?dāng)_主要發(fā)生在連接器、芯片封裝和間距比較近的平行走線之間。但在某些設(shè)計(jì)中，高速差分過(guò)孔之間也會(huì)產(chǎn)生較大的串?dāng)_，本文對(duì)高速差分過(guò)孔之間的產(chǎn)生串?dāng)_的情況提供了實(shí)例仿真分析和解決方法。
高速差分過(guò)孔間的串?dāng)_
本研究基于第一性原理模擬，采用VASP分別計(jì)算含缺陷，雜質(zhì)元素N,O的石墨與純石墨的電子結(jié)構(gòu)信息，如差分電荷和態(tài)密度，分析其電子結(jié)構(gòu)信息的差異；并且計(jì)算了Li離子在以上幾種石墨材料中的擴(kuò)散能壘，分析了缺陷對(duì)Li電池性能的影響。
具體步驟:
1) 分別構(gòu)建純的石墨（C），摻雜N和C空位缺陷的石墨（C1），以及摻雜了N，O，和C空位缺陷的石墨（C2）；并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
幾乎所有的高速信號(hào)都用差分線進(jìn)行傳輸，由于差分線也是傳輸線類型中的一種，那么在設(shè)計(jì)差分線時(shí)該注意什么呢？或者說(shuō)有哪些因素會(huì)影響到差分線的特征阻抗？
對(duì)于均勻（橫截面相同、介質(zhì)材料的電特性固定）的傳輸線來(lái)說(shuō)，在不考慮損耗（含介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗）的情況下，其特征阻抗可用公式來(lái)計(jì)算。大家如果能緊緊抓住這個(gè)公式，分清楚哪些因素會(huì)影響寄生電感L、哪些因素會(huì)影響寄生電容C，那么差分阻抗的問(wèn)題就一目了然
