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常见问题

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设计高速PCB时如何考虑阻抗问题?
2021-11-30
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对于非电子专业的朋友来看PCB线路板上的走线,对于高速信号来说线路并不是仅仅从A连通到B这么简单了,还要考虑”阻抗因素“,这个因素会直接关系到信号是否完整的从A点传到了B点。每次工程师们画完PCB板后,如果对于有”做阻抗“需求的PCB时,就必须要在工艺要求文件里附上阻抗需求(包括哪些线路、做多大值的阻抗、控制误差在多少等信息)。

阻抗要求是为确保电路板上高速信号的完整性而提出,它对高速数字系统正常稳定运行起到了关键性因素,在高速系统中,关键信号线不能当成是普通的传输线来看待,必须要考虑其特性阻抗,若关键传输线的阻抗没有达到匹配,可能会导致信号反射、反弹,损耗,原本良好的信号波形变形(上冲、下冲、振铃现象),其将直接影响电路的性能甚至功能。

这就和蛇形走线道理一样,对于信号传输不了解的话,就理解不了为什么这条线不直接拉直,两点之间,不是线段最短吗,线路短了,损耗也小吗?非也,在电子线路里,特别是高速信号里,讲的是匹配性,信号传输是有时间的,线路越长,时间也会长,时序不一样,就会影响性能问题,当然对于低速,这些都没有影响。

如果阻抗不匹配,那么信号传输过程中会存在非常大的失真、衰减,而最后影响到功能,轻则不稳定或者传输速度下降,重则直接罢工直接功能实现不了。而不同信号的阻抗值不一样,差分线要求阻抗一般在100欧或120欧,比如高速USB、HDMI信号。单端阻抗要求在50欧75欧等,这些要求就是PCB工程师自己去确定的事,PCB板厂则根据你的要求,结合他们的材料PCB文件线路设,使用阻抗软件工具进行调整,最后使用设备测试,让它达到要求值。

那么影响”阻抗“的因素是哪些呢?
它包括:线宽、线距、叠层、PCB板材介质及厚度等这都是影响阻抗的因素。板厂工程师就是通过调整这些值来满足要求。实际中主要是通过控制导线宽度、叠层来控制阻抗(因为PCB基材厚度都是个定值,比较好动的就是线宽线距参数了)。

阻抗线是有分几种类型的,不同类型,板厂工程在软件里计算的时候用的对象都是不一样的,这里大家都要注意下。所以PCB工程师要学会如何用PCB阻抗计算软件来计算当前设计的线路是否满足阻抗值是很有必要的(前提是知道板厂用的板材参数能更准确)。

1、阻抗线按类型分为单端阻抗、差分阻抗两种类型,说通俗点是针对的是单条传输线和一对差分线。分别是差分阻抗、单端阻抗、共面差分阻抗、共面单端阻抗:

2、阻抗线按传输媒质分为带状线和微带线。
带状线:信号线位于两层接地面(或电源)之间的介质内的导线(在内层,有两个参考平面)根据传输线与两接地平面的距离相同或不同,又分为对称带状线和非对称带状线。带状线的特性阻抗由导线的厚度、宽度、介电常数,及接地平面的距离有关。带状线两边都有电源或者底层,因此阻抗容易控制,同时屏蔽较好。

微带线:用电介质将导线与地(电源)平面隔开的传输线(在PCB表层,仅有一个参考平面)分两种微带线,一种是埋入的(在内层),一种是非埋入的。微带线特性阻抗由导线的厚度、宽度、基材厚度及介电常数决定。主要用于双层和多层板

1、差分阻抗
参考地平面同单端阻抗一样,唯一的差别是线宽线距也要调整有要求

2、特性阻抗(单端阻抗)
针对很多线做阻抗,只有下面有地平面,参照最接近的地层做,如果是内层的线则要参考最接近的2层地平面做。

3、共面阻抗(共面差分和共面特性)
共面差分周围有均匀的铜皮围着,铜皮到阻抗线距离一致,且铜皮上有成排via孔,共面差分阻抗线下面和周边都有地平面。

4、共面特性
(1)阻抗的作用是为了保证信号传输的完整性,确保信号从A点可以完整传到B点,不会变形失真。

(2)阻抗主要是针对高速信号作的要求。

(3)不同信号阻抗值不一样,由PCB设计工程师结合方案要求确认。

(4)阻抗值受PCB非常多的因素影响。

(5)阻抗值是通过专业的阻抗计算软件,结合阻抗类型、线宽、线距、板材、叠层、板厚、介质等因素进行综合计算。

(6)PCB板厂通过设备如阻抗测试仪测试最终阻抗。

PCB上如果有非常多的关键信号要做阻抗,则可以单独附个文档,将要进行阻抗控制的线路显示出来,并说明要做的值和误差,电路板厂就会对这些”重要信号“线进行调整控制。而阻抗值这些信息是怎么来的?通常是芯片规格手册上、方案要求上、或者一些业界都认统一认可以参数值。

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