PCB阻抗控制及设计说明

1、PCB阻抗限制设计说明随着PCB信号切换速度不断增长,当今的PCB设计厂商需要理解和限制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时限制迹线阻抗.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,特别是在高频电路白P 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：阻抗限制与阻抗匹配,本文重点讨论阻抗限制和叠层设计的问

2、题.阻抗限制阻抗限制(eImpedance Controling),线路板中的导体中会有各种信号的传递,为提升其传 输速率而必须提升其频率,线路本身假设因蚀刻,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,其阻抗值应限制在某一范围之内, 称为阻抗限制.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

3、成. 迹线和板层构成了限制阻抗.PCB将常常采用多层结构,并且限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线路板的外表之上,以电源或接地层为参考.如下列图所示：注意：在实际的PCB制造中,板厂通常会在 PCB

4、板的外表涂覆一层绿油,因此在实际的阻 抗计算中,通常对于外表微带线采用下列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,如下列图所示,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 ,我们所需做的就是限制特性阻抗的参绝缘层的介电常数 Er、走线宽度 W1、W2 梯形、走线厚度 T和绝缘层厚度Ho对于W1、W

5、2的说明：计算值必须在红框范围内.其余情况类推.下面利用SI9000计算是否到达阻抗限制的要求：首先计算DDR数据线的单端阻抗限制：TOP层：铜厚为0.5OZ,走线宽度为5MIL ,距参考平面的距离为 3.8MIL ,介电常数为4.2. 选择模型,代入参数,选择 lossless calculation,如下图：coating表示涂覆层,如果没有涂覆层,就在thickness中填0,dielectric 介电常数填1 空气.substrate表示基板层,即电介质层,一般采用 FR-4 ,厚度是通过阻抗计算软件计算得到, 介电常数为4.2 频率小于1GHz时.点击Weightoz项,可以设定铺铜

6、的铜厚,铜厚决定了走线的厚度.9、绝缘层的Prepreg/Core的概念:PP (prepreg)是种介质材料,由玻璃纤维和环氧树脂组成,core其实也是PP类型介质,只不过他的两面都覆有铜箔, 而PP没有,制作多层板时,通常将CORE和PP配合使用,CORE 与CORE之间用PP粘合.10、PCB叠层设计中的考前须知：(1)、翘曲问题PCB的叠层设计要保持对称,即各层的介质层厚、铺铜厚度上下对称,拿六层板来说,就是TOP-GND与BOTTOM-POWER 的介质厚度和铜厚一致, GND-L2 与L3-POWER的介质 厚度和铜厚一致.这样在层压的时候不会出现翘曲.(2)、信号层应该和邻近的参考平面紧密耦合(即信号层和邻近敷铜层之间的介质厚度要 很小)；电源敷铜和地敷铜应该紧密耦合.(3)、在很高速的情况下,可以参加多余的地层来隔离信号层,但建议不要多家电源层来 隔离,这样可能造成不必要的噪声干扰.(4)、典型的叠层设计层分布如下表所示：(5)、层的排布一般原那么：元件面下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面； 所有信号层尽可能与地平面相邻；尽量防止两信号层直接相邻；主电源尽可能与其对应地相邻；兼顾层压结构对称.对于母板的层排布, 现有母板很难限制平行长距离布线