详解PCB的阻抗控制技术

随着通信科技的不断提升，必然对PCB的要求也有了相应的提高，传统意义上PCB已受到严峻的挑战，以往PCB的最高要求open&short从目前来看已变成PCB的最基本要求，取而代之的是一些为保证客户设计意图的体现而在PCB上所体现的性能的要求，如阻抗控制等。在过去几年之中，控制阻抗的PCB迹线已经开始从纯粹的专家应用转变为更加普及的应用, 到目前为止有“阻抗”控制的PCB已广泛的应用于：SDH、GSM、CDMA、PC、大功率无绳电话、手机等，同时也为国防科技提供了相当数量的PCB。本文结合佩特科技在PCB设计过程中的阻抗控制经验，围绕PCB迹线的阻抗控制，从下面五个方面分别进行了讨论。

一、PCB迹线的阻抗控制简介

1、PCB上的阻抗控制

电信和计算机设备操作的速度和切换速率正在不断增长。尽管在低频情况下，这是一个可以忽略的物理规律，但现在却需要严肃考虑了。现代PCB上处理器时钟速度和组件切换速度的提高意味着组件间的互连路径（例如PCB迹线：PCB trace）不能再视为简单的导线。实际应用中快速切换速度或高频（即数字边际速度超过1ns或者模拟频率大于300MHz）的PCB迹线必须视为传输线–其电子特性必须由 PCB 设计厂商来控制的信号线。就是说，为了稳定和可预测的高速运行，PCB迹线和PCB绝缘物的电子特性必须得到控制。

PCB 迹线的关键参数之一就是其特性阻抗（即波沿信号传输线路传送时电压与电流的比值）。这是一个有关迹线物理尺寸（例如迹线的宽度和厚度）和PCB底板材质的绝缘物厚度的函数。PCB迹线的阻抗由其电感和电容电抗决定。

实际情况中，PCB传输线路通常由一个导线迹线、一个或者多个参考层和绝缘材质组成。传输线路，即迹线和板材构成了控制阻抗。PCB通常采用多层结构，并且控制阻抗也可以采用多层方式来构建。但是，无论使用什么方式，阻抗值都将由其物理结构和绝缘材料的电子特性决定：

1）信号迹线的宽度和厚度

2）迹线两侧的内核和预填充材质的高度

3）迹线和层的配置

4）内核和预填充材质的绝缘常数

2、阻抗匹配

组件自身可以显示特性阻抗，因此必须选择PCB迹线阻抗来匹配使用中的所有逻辑系列的特性阻抗（对于 CMOS 和 TTL，特性阻抗的范围是 80 到 110 欧姆）。为了最好地将信号从源传送到负载，迹线阻抗必须匹配发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗。

如果连接两个设备的的PCB迹线的阻抗不匹配设备的特性阻抗，在负载设备可以进入新的逻辑状态之前将会发生多次反射。结果将可能导致高速数字系统中的切换时间或随机错误增加。为此线路设计工程师和PCB设计厂商必须仔细指定迹线阻抗值及其误差。

所以阻抗控制技术在高速PCB设计中显得尤其重要。阻抗控制技术包括两个含义：

1）阻抗控制的PCB信号线是指沿高速PCB信号线各处阻抗连续，也就是说同一个网络上阻抗是一个常数。

2）阻抗控制的PCB板是指PCB板上所有网络的阻抗都控制在一定的范围以内如20~75Ω。

PCB线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值，通常在25欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中，传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条线路中保持恒定。

二、传输线特性阻抗

传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟，在这里，我们主要讨论特性阻抗。传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。

分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。

1、传输线分类

当今的快速切换速度或高速时钟速率的PCB迹线必须被视为传输线。传输线可分为单端（非平衡式）传输线和差分（平衡式）传输线，而单端应用较多。

2、单端传输线路

单端传输线是连接两个设备的最为常见的方法。信号跃变时，电流回路中的电流也是变化的，它将产生地线回路的电压降，构成地线回路噪声，这也成为系统中其他单端传输线接收器的噪声源，从而降低系统噪声容限。

这是一个非平衡线路的示例，信号线路和返回线路在几何尺寸上不同，高频情况下单端传输线的特性阻抗（也就是通常所说的单端阻抗）。

其中：L为单位长度传输线的固有电感，C为单位长度传输线的固有电容。

单端传输线特性阻抗与传输线尺寸、介质层厚度、介电常数的关系如下：

1）与迹线到参考平面的距离（介质层厚度）成正比

2）与迹线的线宽成反比

3）与迹线的高度成反比

4）与介电常数的平方根成反比

单端传输线特性阻抗的范围通常情况下为 25Ω至120Ω，几个较常用的值是28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω。

3、差分传输线路

差分传输线适用于对噪声隔离和改善时钟频率要求较高的情况。在差分模式中，传输线路是成对布放的，两条线路上传输的信号电压、电流值相等，但相位（极性）相反。由于信号在一对迹线中进行传输，在其中一条迹线上出现的任何电子噪声与另一条迹线上出现的电子噪声完全相同（并非反向），两条线路之间生成的场将相互抵消，因此与单端非平衡式传输线相比，只产生极小的地线回路噪声，并且减少了外部噪声的问题。

差分传输线特性阻抗通常情况下为100Ω，有时也用到75Ω。考虑到多层PCB板生产时PCB迹线可分布于表面或者内层，这两种情况下PCB迹线的参考平面有所不同，所以又可将PCB迹线分为微波传输带（Microstripe）和带状线（Stripeline）传输线路。

4、微波传输带传输线路

它是由一条安装在可导接地层的低损耗绝缘体上的控制宽度的可导迹线构成的。该绝缘体通常使用强化玻璃环氧树脂制造，例如G10、FR-4或PTFE，用于超高频应用。

5、带状线传输线路

其通常包括夹在两个参考层和绝缘材质之间的导线迹线。传输线路和层构成了控制阻抗。

带状线与微波传输带的不同之处在于它嵌入到两个参考层之间的绝缘材质中，带状线阻抗参考两个平面，阻抗迹线在内层，而微波传输带只有一个参考平面，阻抗迹线在PCB板的外层（表层）。

三、结语

PCB迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定，这些因子将是迹线物理尺寸（例如迹线的宽度和厚度）和PCB底板材质的绝缘常数和绝缘厚度的函数，因此也可以说，PCB板迹线的阻抗值由信号迹线的物理尺寸（宽度和厚度）、线路板绝缘常数、绝缘介质厚度、信号迹线与层的配置决定。