PCB阻抗控制

发布时间:2023-10-27
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。
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