电路板设计如何做阻抗控制？（上）

    随着PCB信号切换速度不断增长，当今的PCB设计厂商需要理解和控制PCB迹线的阻抗。相应于现代数字电路较短的信号传输时间和较高的时钟速率，PCB迹线不再是简单的连接，而是传输线。

    在实际情况中，需要在数字边际速度高于1ns或模拟频率超过300Mhz时控制迹线阻抗。PCB迹线的关键参数之一是其特性阻抗（即波沿信号传输线路传送时电压与电流的比值）。印制电路板上导线的特性阻抗是电路板设计的一个重要指标，特别是在高频电 路的PCB设计中，必须考虑导线的特性阻抗和器件或信号所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。这就涉及到两个概念：阻抗控制与阻抗匹配，本文重点讨论阻抗控制和叠层设计的问题。
 

阻抗控制：

    阻抗控制(eImpedance Controling)，线路板中的导体中会有各种信号的传递，为提高其传输速率而必须提高其频率，线路本身若因蚀刻，叠层厚度，导线宽度等不同因素，将会造成阻抗值得变化，使其信号失真。故在高速线路板上的导体，其阻抗值应控制在某一范围之内，称为“阻抗控制”。

    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。影响PCB走线的阻抗的因素主要有：铜线的宽度、铜线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、焊盘的厚度、地线的路径、走线周边的走线等。PCB阻抗的范围是 25 至120 欧姆。

    在实际情况下，PCB传输线路通常由一个导线迹线、一个或多个参考层和绝缘材质组成。迹线和板层构成了控制阻抗。PCB将常常采用多层结构，并且控制阻抗也可以采用各种方式来构建。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：

信号迹线的宽度和厚度；

迹线两侧的内核或预填材质的高度；

迹线和板层的配置；

内核和预填材质的绝缘常数。

PCB传输线主要有两种形式：微带线（Microstrip）与带状线（Stripline）。

微带线（Microstrip）：

    微带线是一根带状导线，指只有一边存在参考平面的传输线，顶部和侧边都曝置于空气中（也可上敷涂覆层），位于绝缘常数 Er 线路板的表面之上，以电源或接地层为参考。如下图所示：

注意：在实际的PCB制造中，板厂通常会在PCB板的表面涂覆一层绿油，因此在实际的阻抗计算中，通常对于表面微带线采用下图所示的模型进行计算：

带状线（Stripline）：

带状线是置于两个参考平面之间的带状导线，如下图所示，H1和H2代表的电介质的介电常数可以不同。

    上述两个例子只是微带线和带状线的一个典型示范，具体的微带线和带状线有很多种，如覆膜微带线等，都是跟具体的PCB的叠层结构相关。

    用于计算特性阻抗的等式需要复杂的数学计算，通常使用场求解方法，其中包括边界元素分析在内，因此使用专门的阻抗计算软件SI9000，我们所需做的就是控制特性阻抗的参数：

绝缘层的介电常数Er、走线宽度W1、W2（梯形）、走线厚度T和绝缘层厚度H。

对于W1、W2的说明：

此处的W=W1，W1=W2.

规则：W1=W-A

W—-设计线宽

A—–Etch loss (见上表)

走线上下宽度不一致的原因是：PCB板制造过程中是从上到下而腐蚀，因此腐蚀出来的线呈梯形。

   走线厚度T与该层的铜厚有对应关系，具体如下：

铜厚：

绿油厚度：

*因绿油厚度对阻抗影响较小，故假定为定值0.5mil。

我们可以通过控制这几个参数来达到阻抗控制的目的，下面以安维的底板PCB为例说明阻抗控制的步骤和SI9000的使用：

底板PCB的叠层为下图所示：

第二层为地平面，第五层为电源平面，其余各层为信号层。

各层的层厚如下表所示：

说明：中间各层间的电介质为FR-4，其介电常数为4.2；顶层和底层为裸层，直接与空气接触，空气的介电常数为1。

需要进行阻抗控制的信号为：

DDR的数据线，单端阻抗为50欧姆，走线层为TOP和L2、L3层，走线宽度为5mil。

时钟信号CLK和USB数据线，差分阻抗控制在100欧姆，走线层为L2、L3层，走线宽度为6mil，走线间距为6mil。

对于计算精度的说明：

1、对于单端阻抗控制，计算值等于客户要求值；

2、对于其他特性阻抗控制：

对于其它所有的阻抗设计(包括差别和特性阻抗)
 

*计算值与名义值差别应小于的阻抗范围的10%：

例如：客户要求：60+/-10%ohm

阻抗范围=上限66-下限54=12ohms

阻抗范围的10%=12X10%=1.2ohms

计算值必须在红框范围内。其余情况类推。