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主题:PCB阻抗控制

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:

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信号迹线的宽度和厚度

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迹线两侧的内核或预填材质的高度

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迹线和板层的配置

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内核和预填材质的绝缘常数

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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,嵌入式物联网智能硬件等系统学习企鹅意义气呜呜吧久零就易,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
               COPPER THICKNESS
Base copper thk  For inner layer  For outer layer
  H OZ          0.6mil                1.8mil
  1 OZ          1.2MIL                2.5MIL
  2 OZ          2.4MIL                3.6MIL

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:

Layer Name

Type

Material

Thinkness

Class

 

SURFACE

AIR

 

 

TOP

CONDUCTOR

COPPER

0.5 OZ

ROUTING

 

DIELECTRIC

FR-4

3.800MIL

 

L2-INNER

CONDUCTOR

COPPER

1 OZ

PLANE

 

DIELECTRIC

FR-4

5.910MIL

 

L3-INNER

CONDUCTOR

COPPER

1 OZ

ROUTING

 

DIELECTRIC

FR-4

33.O8MIL

 

L4-INNER

CONDUCTOR

COPPER

1 OZ

ROUTING

 

DIELECTRIC

FR-4

5.910MIL

 

L5-INNER

CONDUCTOR

COPPER

1 OZ

PLANE

 

DIELECTRIC

FR-4

3.800MIL

 

BOTTOM

CONDUCTOR

COPPER

0.5 OZ

ROUTING

 

SURFACE

AIR

 

 

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。

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