PCB設(shè)計(jì)過程中如何考慮阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)？

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隨著 PCB 信號(hào)切換速度不斷增長，當(dāng)今的 PCB 設(shè)計(jì)廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號(hào)傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率，PCB 跡線不再是簡單的連接，而是傳輸線。

在實(shí)際情況中，需要在數(shù)字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過300Mhz時(shí)控制跡線阻抗。PCB 跡線的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗（即波沿信號(hào)傳輸線路傳送時(shí)電壓與電流的比值）。印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在高頻電 路的PCB設(shè)計(jì)中，必須考慮導(dǎo)線的特性阻抗和器件或信號(hào)所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。這就涉及到兩個(gè)概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點(diǎn)討論阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)的問題。

阻抗控制

阻抗控制（eImpedance Controling），線路板中的導(dǎo)體中會(huì)有各種信號(hào)的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻，疊層厚度，導(dǎo)線寬度等不同因素，將會(huì)造成阻抗值得變化，使其信號(hào)失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱為“阻抗控制”。

PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有： 銅線的寬度、銅線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。

在實(shí)際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個(gè)導(dǎo)線跡線、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結(jié)構(gòu)，并且控制阻抗也可以采用各種方式來構(gòu)建。但是，無論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定：

信號(hào)跡線的寬度和厚度

跡線兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度

跡線和板層的配置

內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)

PCB傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。

微帶線（Microstrip）：

微帶線是一根帶狀導(dǎo)線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，頂部和側(cè)邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數(shù) Er 線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。


帶狀線（Stripline）：

帶狀線是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導(dǎo)線，電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。具體的微帶線和帶狀線有很多種，如覆膜微帶線等，都是跟具體的PCB的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。

用于計(jì)算特性阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，通常使用場求解方法，其中包括邊界元素分析在內(nèi)，因此使用專門的阻抗計(jì)算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數(shù)：

絕緣層的介電常數(shù)Er、走線寬度W1、W2（梯形）、走線厚度T和絕緣層厚度H。

對(duì)于W1、W2的說明：

計(jì)算值必須在紅框范圍內(nèi)。其余情況類推。

下面利用SI9000計(jì)算是否達(dá)到阻抗控制的要求：

首先計(jì)算DDR數(shù)據(jù)線的單端阻抗控制：

TOP層：銅厚為0.5OZ，走線寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數(shù)為4.2。選擇模型，代入?yún)?shù)，選擇lossless calculation，如圖所示：

coating表示涂覆層，如果沒有涂覆層，就在thickness 中填0，dielectric（介電常數(shù)）填1（空氣）。

substrate表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用FR-4，厚度是通過阻抗計(jì)算軟件計(jì)算得到，介電常數(shù)為4.2（頻率小于1GHz時(shí)）。

點(diǎn)擊Weight（oz）項(xiàng)，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。

9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：

PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂組成，core其實(shí)也是PP類型介質(zhì)，只不過他的兩面都覆有銅箔，而PP沒有，制作多層板時(shí)，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。

10、PCB疊層設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)：

（1）、翹曲問題

PCB的疊層設(shè)計(jì)要保持對(duì)稱，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對(duì)稱，拿六層板來說，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)翹曲。

（2）、信號(hào)層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號(hào)層和鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很?。?；電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。

（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號(hào)層，但建議不要多家電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。

（4）、層的排布一般原則：

元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；

所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；

主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰；

兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

對(duì)于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長距離布線，對(duì)于板級(jí)工作頻率在50MHZ 以上的

（50MHZ 以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：

元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；

無相鄰平行布線層；

所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰，不跨分割區(qū)。