電路板阻抗原理知識(shí)及應(yīng)用

1、-前言：我們做電子設(shè)計(jì)，遇到高速電路時(shí)會(huì)遇到很多問題，也會(huì)有很多新名詞，比方：過沖，下沖，時(shí)延，阻抗，反射等，經(jīng)過我的反復(fù)思考與研究，得到一些心得，跟大家一起分享。 隨著信號(hào)傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應(yīng)用，對(duì)印刷電路板也提出了更高的要求。印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號(hào)在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號(hào)保持完整，降低傳輸損耗，起到匹配阻抗的作用，這樣才能得到完整、可靠、準(zhǔn)確、無干擾、噪音低的傳輸信號(hào)。 在高速數(shù)字電路的PCB設(shè)計(jì)上，我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品不管是用到DDR2，還是DDR3存，不管是PCIE差分還是SATA傳輸，都用到了高速PCB設(shè)計(jì)技術(shù)，而我們所設(shè)計(jì)的PCB用了阻抗控制技術(shù)后

2、，根本上沒有出現(xiàn)是PCB問題跑不通的情況。要理解高速信號(hào)的設(shè)計(jì)知識(shí)，先要從一些根底電子知識(shí)說起。 根底知識(shí) 導(dǎo)體中的自由電子在電場的作用下定向移動(dòng)形成電流。電流方向只是物理學(xué)中約定俗成的一個(gè)規(guī)定,物理上規(guī)定電流的方向是正電荷的定向移動(dòng)的方向或者負(fù)電荷的定向移動(dòng)的反方向。電流的速度不是電子運(yùn)動(dòng)速度，而是電場的速度。 圖1. PA6000功率分析儀的電磁抗擾度測試現(xiàn)場圖2：定向移動(dòng)的電子電場的傳播速度和阻抗沒有直接關(guān)系，但它們都與導(dǎo)體周圍的介質(zhì)有關(guān)電信號(hào)的傳播速度是與導(dǎo)體周圍的介質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的，電信號(hào)在真空中指導(dǎo)體周圍比較大的圍都是真空的傳播速度是光速3*108 m/s,換算為30 cm/ns

3、。在其它的介質(zhì)中，它的傳輸速度是不一樣的，如果相對(duì)介電系數(shù)是 Er ，則傳播速度為 30/Er0.5。例如，在水中，水的相對(duì)介電系數(shù)是80，所以，傳播速度約是真空中的1/9 ，即： 30/800.5 = 3.35 cm/ns。在PCB中，F(xiàn)R4的相對(duì)介電系數(shù)約為4，所以，傳播速度是真空中的一半，即：30/40.5 = 15 cm/ns。 傳輸線的特征阻抗是什么傳輸線的特征阻抗，又稱為特性阻抗，是我們?cè)谶M(jìn)展高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)提到的一個(gè)概念。信號(hào)在傳輸線中傳輸?shù)倪^程中，在信號(hào)到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線和參考平面之間會(huì)形成電場，由于電場的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線中的每一點(diǎn)都存

4、在。同時(shí)信號(hào)也存在一定的電壓，這樣在信號(hào)傳輸過程中，傳輸線的每一點(diǎn)就會(huì)等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。這里一定要區(qū)分一個(gè)概念，就是特征阻抗是對(duì)于交流信號(hào)(或者說高頻信號(hào))來說的，對(duì)于直流信號(hào)，傳輸線有一個(gè)直流阻抗，這個(gè)值可能會(huì)遠(yuǎn)小于傳輸線的特征阻抗。一旦傳輸線的特性確定了(線寬，與參考平面的距離等特性)，則傳輸線的特征阻抗就確定了。一般的PCB走線特征阻抗計(jì)算公式： Z0 (L/C)0.5 其中L是單位長度傳輸線的固有電感，C是單位長度傳輸線的固有電容。通過這個(gè)簡單的計(jì)算公式我們能看出來，要改變傳輸線的特征阻抗就要改變單位長度傳輸線的固有電感和電容。 影響傳輸線特征阻抗

5、的幾個(gè)因素根據(jù)以上公式，這樣我們就能更好的理解影響傳輸線特征阻抗的幾個(gè)因素： a. 線寬與特征阻抗成反比。增加線寬相當(dāng)于增大電容，也就減小了特征阻抗，反之亦然。 b. 介電常數(shù)與特征阻抗成反比。同樣提高介電常數(shù)相當(dāng)于增大電容。 c. 傳輸線到參考平面的距離與特征阻抗成正比。增加傳輸線與參考平面的距離相當(dāng)于減小了電容，這樣也就減小了特征阻抗，反之亦然。 d. 傳輸線的長度與特征阻抗沒有關(guān)系。通過公式可以看出來L和C都是單位長度傳輸線的參數(shù)，與傳輸線的長度并沒有關(guān)系。 e. 線徑與特征阻抗成反比。由于高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)，影響較其他因素小。 圖示理解信號(hào)傳播下面再以圖示的方法說明下，傳輸線是一個(gè)分布

6、參數(shù)系統(tǒng)，它的每一段都具有分布電容、電感和電阻。傳輸線的分布參數(shù)通常用單位長度的電感L和單位長度的電容C以及單位長度上的電阻、電導(dǎo)來表示，它們主要由傳輸線的幾何構(gòu)造和絕緣介質(zhì)的特性所決定的。分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數(shù)，給定*一種傳輸線，這些參數(shù)的值也就確定了，這些參數(shù)反映著傳輸線的在因素，它們的存在決定著傳輸線的一系列重要特性。傳輸線的等效電路是由無數(shù)個(gè)微分線段的等效電路串聯(lián)而成。 圖3：傳輸線模型1在上圖里，以t1時(shí)間段來說，電阻Ra1的阻值很小，電感L1也很小，電容C1也很小，電阻Rb1很大。電信號(hào)從低電平變高電平高電平，它不是整條導(dǎo)線上一下子就變?yōu)楦唠娖搅?，而是像錢塘江

7、大潮漲潮或波浪推進(jìn)時(shí)，是有一個(gè)過程的。錢塘江大潮來后，就把江面從低水位變到高水位了，波浪是一個(gè)一個(gè)的來，就像高頻信號(hào)不停的傳輸。信號(hào)電場也如潮水一樣，它是后面的推前邊的，前面的繼續(xù)向前。 圖4：潮水在向前推進(jìn)圖5：波浪在傳播在導(dǎo)線上的一個(gè)固定地點(diǎn)，它的電平是如潮頭逐漸上升的，這個(gè)上升的波形，就是我們平?？梢杂檬静ㄆ鳒y量的上升沿，這個(gè)上升沿有快有慢，高速信號(hào)，需要上升沿和下降沿都要快，否則電平還沒到，下一個(gè)信號(hào)電平又來了。而低頻信號(hào)并不等于上升沿下降沿就平緩，它也可以比較陡。低頻信號(hào)如果上升沿和下降沿比較陡的，也要當(dāng)高頻信號(hào)來處理。 圖6：傳輸線模型2如何簡單理解信號(hào)傳播與信號(hào)回路問題我們可以這

8、樣來簡單理解信號(hào)傳播與信號(hào)回路問題，一個(gè)信號(hào)在導(dǎo)體里傳播，它就要受到導(dǎo)體上電阻的衰減，電感的阻礙，給寄生電容充電和介質(zhì)漏電等。微分導(dǎo)線后可見，信號(hào)峰頭到這里來后，由于給寄生電容充電和介質(zhì)漏電，它就會(huì)沿傳播路徑下的參考平面有一個(gè)返回電流，然后到下一個(gè)微分點(diǎn)，電流又返回到前一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)信號(hào)還未傳到終點(diǎn)前，沿導(dǎo)線的傳播路徑的返回電流一直存在，等信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)后，整個(gè)通路建立平衡后，返回路徑才從信號(hào)最好走的最短路徑，最小電阻路徑返回。 低速信號(hào)地回路路徑低速信號(hào)的信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間和高速信號(hào)一樣，但它兩個(gè)信號(hào)間時(shí)間比較長，信號(hào)推進(jìn)時(shí)從導(dǎo)體路徑返回電流，平衡后從最短路徑返回。而信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)

9、的時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)周期，所以大局部電流從最短路徑返回了。 圖7：低速信號(hào)地回路路徑高速信號(hào)地回路路徑高速信號(hào)和低速信號(hào)不一樣，它的波形一個(gè)接一個(gè)的，所以絕大局部返回電流從信號(hào)傳播路徑返回。 圖8：高速信號(hào)地回路路徑前面說過，在FR4的相對(duì)介電系數(shù)為4的PCB中，信號(hào)傳播速度是約為15 cm/ns。如果我們以15cm長的導(dǎo)體來傳信號(hào)，信號(hào)從這頭傳到那頭就要1ns的時(shí)間，一個(gè)500MHz的時(shí)鐘信號(hào)在里面?zhèn)鞑?，就是一個(gè)波的峰頭還沒到，第二波形又發(fā)出去了。這樣一個(gè)波一個(gè)波的傳過去，返回的電流一直從傳播路徑上走。 信號(hào)傳播，也相當(dāng)于在給沿途的寄生電容充電，寄生電容的負(fù)端就有返回電流了。 圖9：耦合產(chǎn)生寄生

10、電容的返回模型為什么要講返回路徑我們?yōu)槭裁匆v返回路徑，返回路徑是信號(hào)傳播的原動(dòng)力，只有讓返回路徑暢通，信號(hào)傳播途中才有電壓差，才使信號(hào)向前走。所以返回路徑是電子電路必不可少的，是設(shè)計(jì)PCB特別是高速電路一定要考慮的，否則，就有串?dāng)_，反射，過沖，波形畸變等各種情況產(chǎn)生，電路工作不正常。返回路徑就是參考面，參考平面是阻抗的一大因子。 在以下圖中，是單端導(dǎo)線的截面圖，阻抗與H1成正比，與Er成反比，與W1、W2、T1成反比，大家可以看出，W1，W2，T1是一個(gè)梯形面，這三個(gè)參數(shù)組成的就是導(dǎo)體截面，實(shí)際阻抗與導(dǎo)線截面積成反比。也就是說，特性阻抗是與導(dǎo)體截面積、導(dǎo)體到參考平面的距離和導(dǎo)體到參考平面間介

11、質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)的。 圖10：導(dǎo)線與參考面截面我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB板時(shí)，要設(shè)計(jì)好參考平面我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB板時(shí)，設(shè)計(jì)好參考平面，如四層板，中間兩層是參考層；六層板，第二層和第五層是參考層。參考平面可以是地層，也可以是電源層，以地為參考層更好。 圖11：四層板疊層六層板的第一層和第三層以第二層為參考平面，第四層和第六層以第五層為參考平面，要使第三層和第四層相互影響較小，可以把PP片3的厚度加大，厚度加大到遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三倍以上PP片2的厚度時(shí)，它們間的影響就非常小了。如PP片2和PP片4的厚度為3mil,PP片3的厚度為10mil,這時(shí)，你用阻抗計(jì)算軟件算第三層或第四層信號(hào)線的阻抗，你用微帶線和帶狀線的模型

12、去計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果相差不大。 用這個(gè)比喻大家就明白了，月亮到地球的距離是38萬公里，地球到太陽的距離是1.5億公里，太陽的質(zhì)量和體積都比地球大得非常多，但對(duì)月球的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及地球，原因就是月亮到地球的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于到太陽的距離。所以大家在對(duì)待多層數(shù)復(fù)雜電路板的時(shí)候，找好一個(gè)參考層，讓其它層遠(yuǎn)離這個(gè)信號(hào)層，讓指定的這個(gè)參考層為主影響，這時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)的阻抗疊層模型就要簡單很多。 圖12：六層板疊層參考層中連續(xù)面或打孔過多造成隔斷怎么辦參考層要完整覆蓋信號(hào)走線，中連續(xù)面或打孔過多造成隔斷，都會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。但很多時(shí)候?yàn)榱吮惧X考慮用合理的層數(shù)，信號(hào)要換層，參考面也可能是兩個(gè)電源平面，中間是分?jǐn)嗟?/p>

13、，這時(shí)就要有方法處理下。信號(hào)線換層時(shí)，也要考慮返回電流的回路，所以參考層變了，也要把回路聯(lián)通，對(duì)于參考層不是一個(gè)電平的，要在兩個(gè)電平參考層間加電容連接，如以下圖： 圖13：信號(hào)線穿過兩個(gè)參考面參考層變化了，阻抗就就變了。參考層電平不一樣，又不能直接連通，這時(shí)就加電容來連接。電容有通交隔直的作用，在兩個(gè)不同電平的參考面間加電容，給高頻信號(hào)一個(gè)返回通路，也使阻抗不連續(xù)變好一些。 上面講了一局部阻抗設(shè)計(jì)知識(shí)，當(dāng)然這些知識(shí)是我們平常很少注意的地方,也從另一個(gè)側(cè)面來理解阻抗。要徹底搞懂阻抗知識(shí)及用好它，我們還有很多知識(shí)點(diǎn)需要補(bǔ)充，這些知識(shí)點(diǎn)很容易在書本上看到的，也要花很多功夫?qū)W習(xí)。 做PCB設(shè)計(jì)，把元件

14、布好和連接好導(dǎo)線只算低層次。要想你設(shè)計(jì)的電路板可靠地工作，還有非常多的知識(shí)要補(bǔ)充學(xué)習(xí)，再靈活應(yīng)用。 簡單的設(shè)計(jì)方法，也可以讓你設(shè)計(jì)的高速PCB電路到達(dá)阻抗要求你不想搞懂高深的理論知識(shí)，下面說一下簡單的設(shè)計(jì)方法，也可以讓你設(shè)計(jì)的高速PCB電路到達(dá)阻抗要求。你在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，單端信號(hào)線走線寬度設(shè)置成一個(gè)寬度，差分雙端走線設(shè)置為另一寬度，電源線等過電流的線按電流要求又設(shè)置成其它寬度。根據(jù)經(jīng)歷，如單端線寬設(shè)為5mil，差分的設(shè)為4.5mil,線間距都為5mil，當(dāng)然還要考慮參考平面。這樣，你在發(fā)板要求里給生產(chǎn)廠家說明，說：線寬為5mil的都給做成50歐姆阻抗，線寬為4.5mil的為差分線，做成100歐姆阻抗就行了。這里說明的是每種阻抗做一種寬度，生產(chǎn)廠家就會(huì)按你的要求給你計(jì)算生產(chǎn)成你要的阻抗要求了。當(dāng)然，你做的線寬還是要先用阻抗計(jì)算軟件計(jì)算下，誤差大了，生產(chǎn)廠家給你調(diào)整不了的。 簡單說明就是，你是不同的阻抗用不同線寬，他們就會(huì)把這個(gè)線寬選擇出來調(diào)整，他們可以改變線寬、線間距、介質(zhì)材料、銅厚度、介質(zhì)厚度等來滿足阻抗要求。在設(shè)計(jì)之前也要多和廠家溝通，調(diào)整設(shè)計(jì)元素，減少廠家的調(diào)整難度。 致遠(yuǎn)產(chǎn)品從低速到高速，從單機(jī)產(chǎn)品到復(fù)雜產(chǎn)品，以致今天我們做高端儀器儀表，是我們十幾年里不斷的摸索學(xué)習(xí)，下了很多心力，才在高速復(fù)雜電路上有所建樹