電路板阻抗原理知識(shí)及應(yīng)用
我們做電子設(shè)計(jì)，遇到高速電路時(shí)會(huì)遇到很多問題，也會(huì)有很多新名詞，比如：過沖，下沖，時(shí)延，阻抗，反射等，經(jīng)過我的反復(fù)思考與研究，得到一些心得，跟大家一起分享。
隨著信號(hào)傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應(yīng)用，對(duì)印刷電路板也提出了更高的要求。印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號(hào)在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號(hào)保持完整，降低傳輸損耗，起到匹配阻抗的作用，這樣才能得到完整、可靠、精確、無(wú)干擾、噪音低的傳輸信號(hào)。
在高速數(shù)字電路的PCB設(shè)計(jì)上，我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品不管是用到DDR2，還是DDR3內(nèi)存，不管是PCIE差分還是SATA傳輸，都用到了高速PCB設(shè)計(jì)技術(shù)，而我們所設(shè)計(jì)的PCB用了阻抗控制技術(shù)后，基本上沒有出現(xiàn)是PCB問題跑不通的情況。要理解高速信號(hào)的設(shè)計(jì)知識(shí)，先要從一些基礎(chǔ)電子知識(shí)說(shuō)起。
導(dǎo)體中的自由電子在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)形成電流。電流方向只是物理學(xué)中約定俗成的一個(gè)規(guī)定,物理上規(guī)定電流的方向是正電荷的定向移動(dòng)的方向或者負(fù)電荷的定向移動(dòng)的反方向。電流的速度不是電子運(yùn)動(dòng)速度，而是電場(chǎng)的速度。
電信號(hào)的傳播速度是與導(dǎo)體周圍的介質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的，電信號(hào)在真空中（指導(dǎo)體周圍比較大的范圍內(nèi)都是真空）的傳播速度是光速3*10^8 m/s,換算為30 cm/ns 。在其它的介質(zhì)中，它的傳輸速度是不一樣的，如果相對(duì)介電系數(shù)是 Er ，則傳播速度為 30/Er^0.5。例如，在水中，水的相對(duì)介電系數(shù)是80，所以，傳播速度約是真空中的1/9 ，即： 30/80^0.5 = 3.35 cm/ns。在PCB中，F(xiàn)R4的相對(duì)介電系數(shù)約為4，所以，傳播速度是真空中的一半，即：30/4^0.5 = 15 cm/ns。
傳輸線的特征阻抗，又稱為特性阻抗，是我們?cè)谶M(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)提到的一個(gè)概念。信號(hào)在傳輸線中傳輸?shù)倪^程中，在信號(hào)到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線和參考平面之間會(huì)形成電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號(hào)也存在一定的電壓，這樣在信號(hào)傳輸過程中，傳輸線的每一點(diǎn)就會(huì)等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。這里一定要區(qū)分一個(gè)概念，就是特征阻抗是對(duì)于交流信號(hào)(或者說(shuō)高頻信號(hào))來(lái)說(shuō)的，對(duì)于直流信號(hào)，傳輸線有一個(gè)直流阻抗，這個(gè)值可能會(huì)遠(yuǎn)小于傳輸線的特征阻抗。一旦傳輸線的特性確定了(線寬，與參考平面的距離等特性)，那么傳輸線的特征阻抗就確定了。一般的PCB走線特征阻抗計(jì)算公式： Z0≈ (L/C)^0.5
其中L是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電感，C是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電容。通過這個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式我們能看出來(lái)，要改變傳輸線的特征阻抗就要改變單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電感和電容。
根據(jù)以上公式，這樣我們就能更好的理解影響傳輸線特征阻抗的幾個(gè)因素：
- a. 線寬與特征阻抗成反比。增加線寬相當(dāng)于增大電容，也就減小了特征阻抗，反之亦然。
- b. 介電常數(shù)與特征阻抗成反比。同樣提高介電常數(shù)相當(dāng)于增大電容。
- c. 傳輸線到參考平面的距離與特征阻抗成正比。增加傳輸線與參考平面的距離相當(dāng)于減小了電容，這樣也就增大了特征阻抗，反之亦然。
- d. 傳輸線的長(zhǎng)度與特征阻抗沒有關(guān)系。通過公式可以看出來(lái)L和C都是單位長(zhǎng)度傳輸線的參數(shù)，與傳輸線的長(zhǎng)度并沒有關(guān)系。
- e. 線徑與特征阻抗成反比。由于高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)，影響較其他因素小。
下面再以圖示的方法說(shuō)明下，傳輸線是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng)，它的每一段都具有分布電容、電感和電阻。傳輸線的分布參數(shù)通常用單位長(zhǎng)度的電感L和單位長(zhǎng)度的電容C以及單位長(zhǎng)度上的電阻、電導(dǎo)來(lái)表示，它們主要由傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和絕緣介質(zhì)的特性所決定的。分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數(shù)，給定某一種傳輸線，這些參數(shù)的值也就確定了，這些參數(shù)反映著傳輸線的內(nèi)在因素，它們的存在決定著傳輸線的一系列重要特性。傳輸線的等效電路是由無(wú)數(shù)個(gè)微分線段的等效電路串聯(lián)而成。
在上圖里，以t1時(shí)間段來(lái)說(shuō)，電阻Ra1的阻值很小，電感L1也很小，電容C1也很小，電阻Rb1很大。電信號(hào)從低電平變高電平高電平，它不是整條導(dǎo)線上一下子就變?yōu)楦唠娖搅耍窍皴X塘江大潮漲潮或波浪推進(jìn)時(shí)，是有一個(gè)過程的。錢塘江大潮來(lái)后，就把江面從低水位變到高水位了，波浪是一個(gè)一個(gè)的來(lái)，就像高頻信號(hào)不停的傳輸。信號(hào)電場(chǎng)也如潮水一樣，它是后面的推前邊的，前面的繼續(xù)向前。
在導(dǎo)線上的一個(gè)固定地點(diǎn)，它的電平是如潮頭逐漸上升的，這個(gè)上升的波形，就是我們平常可以用示波器測(cè)量的上升沿，這個(gè)上升沿有快有慢，高速信號(hào)，需要上升沿和下降沿都要快，否則電平還沒到，下一個(gè)信號(hào)電平又來(lái)了。而低頻信號(hào)并不等于上升沿下降沿就平緩，它也可以比較陡。低頻信號(hào)如果上升沿和下降沿比較陡的，也要當(dāng)高頻信號(hào)來(lái)處理。
我們可以這樣來(lái)簡(jiǎn)單理解信號(hào)傳播與信號(hào)回路問題，一個(gè)信號(hào)在導(dǎo)體里傳播，它就要受到導(dǎo)體上電阻的衰減，電感的阻礙，給寄生電容充電和介質(zhì)漏電等。微分導(dǎo)線后可見，信號(hào)峰頭到這里來(lái)后，由于給寄生電容充電和介質(zhì)漏電，它就會(huì)沿傳播路徑下的參考平面有一個(gè)返回電流，然后到下一個(gè)微分點(diǎn)，電流又返回到前一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)信號(hào)還未傳到終點(diǎn)前，沿導(dǎo)線的傳播路徑的返回電流一直存在，等信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)后，整個(gè)通路建立平衡后，返回路徑才從信號(hào)最好走的（最短路徑，最小電阻）路徑返回。
低速信號(hào)的信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間和高速信號(hào)一樣，但它兩個(gè)信號(hào)間時(shí)間比較長(zhǎng)，信號(hào)推進(jìn)時(shí)從導(dǎo)體路徑返回電流，平衡后從最短路徑返回。而信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)周期，所以大部分電流從最短路徑返回了。
高速信號(hào)和低速信號(hào)不一樣，它的波形一個(gè)接一個(gè)的，所以絕大部分返回電流從信號(hào)傳播路徑返回。
前面說(shuō)過，在FR4的相對(duì)介電系數(shù)為4的PCB中，信號(hào)傳播速度是約為15 cm/ns。如果我們以15cm長(zhǎng)的導(dǎo)體來(lái)傳信號(hào)，信號(hào)從這頭傳到那頭就要1ns的時(shí)間，一個(gè)500MHz的時(shí)鐘信號(hào)在里面?zhèn)鞑ィ褪且粋€(gè)波的峰頭還沒到，第二波形又發(fā)出去了。這樣一個(gè)波一個(gè)波的傳過去，返回的電流一直從傳播路徑上走。
信號(hào)傳播，也相當(dāng)于在給沿途的寄生電容充電，寄生電容的負(fù)端就有返回電流了。
我們?yōu)槭裁匆v返回路徑，返回路徑是信號(hào)傳播的原動(dòng)力，只有讓返回路徑暢通，信號(hào)傳播途中才有電壓差，才使信號(hào)向前走。所以返回路徑是電子電路必不可少的，是設(shè)計(jì)PCB特別是高速電路一定要考慮的，否則，就有串?dāng)_，反射，過沖，波形畸變等各種情況產(chǎn)生，電路工作不正常。返回路徑就是參考面，參考平面是阻抗的一大因子。
在下圖中，是單端導(dǎo)線的截面圖，阻抗與H1成正比，與Er成反比，與W1、W2、T1成反比，大家可以看出，W1，W2，T1是一個(gè)梯形面，這三個(gè)參數(shù)組成的就是導(dǎo)體截面，實(shí)際阻抗與導(dǎo)線截面積成反比。也就是說(shuō)，特性阻抗是與導(dǎo)體截面積、導(dǎo)體到參考平面的距離和導(dǎo)體到參考平面間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)的。
我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB板時(shí)，設(shè)計(jì)好參考平面，如四層板，中間兩層是參考層；六層板，第二層和第五層是參考層。參考平面可以是地層，也可以是電源層，以地為參考層更好。
六層板的第一層和第三層以第二層為參考平面，第四層和第六層以第五層為參考平面，要使第三層和第四層相互影響較小，可以把PP片3的厚度加大，厚度加大到遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（三倍以上）PP片2的厚度時(shí)，它們間的影響就非常小了。如PP片2和PP片4的厚度為3mil,PP片3的厚度為10mil,這時(shí)，你用阻抗計(jì)算軟件算第三層或第四層信號(hào)線的阻抗，你用微帶線和帶狀線的模型去計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果相差不大。
用這個(gè)比喻大家就明白了，月亮到地球的距離是38萬(wàn)公里，地球到太陽(yáng)的距離是1.5億公里，太陽(yáng)的質(zhì)量和體積都比地球大得非常多，但對(duì)月球的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及地球，原因就是月亮到地球的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于到太陽(yáng)的距離。所以大家在對(duì)待多層數(shù)復(fù)雜電路板的時(shí)候，找好一個(gè)參考層，讓其它層遠(yuǎn)離這個(gè)信號(hào)層，讓指定的這個(gè)參考層為主影響，這時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)的阻抗疊層模型就要簡(jiǎn)單很多。
參考層要完整覆蓋信號(hào)走線，中間斷面或打孔過多造成隔斷，都會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。但很多時(shí)候?yàn)榱顺杀究紤]用合理的層數(shù)，信號(hào)要換層，參考面也可能是兩個(gè)電源平面，中間是分?jǐn)嗟模@時(shí)就要有方法處理下。信號(hào)線換層時(shí)，也要考慮返回電流的回路，所以參考層變了，也要把回路聯(lián)通，對(duì)于參考層不是一個(gè)電平的，要在兩個(gè)電平參考層間加電容連接，如下圖：
參考層變化了，阻抗就就變了。參考層電平不一樣，又不能直接連通，這時(shí)就加電容來(lái)連接。電容有通交隔直的作用，在兩個(gè)不同電平的參考面間加電容，給高頻信號(hào)一個(gè)返回通路，也使阻抗不連續(xù)變好一些。
上面講了一部分阻抗設(shè)計(jì)知識(shí)，當(dāng)然這些知識(shí)是我們平常很少注意的地方,也從另一個(gè)側(cè)面來(lái)理解阻抗。要徹底搞懂阻抗知識(shí)及用好它，我們還有很多知識(shí)點(diǎn)需要補(bǔ)充，這些知識(shí)點(diǎn)很容易在書本上看到的，也要花很多功夫?qū)W習(xí)。
做PCB設(shè)計(jì)，把元件布好和連接好導(dǎo)線只算低層次。要想你設(shè)計(jì)的電路板可靠地工作，還有非常多的知識(shí)要補(bǔ)充學(xué)習(xí)，再靈活應(yīng)用。。
簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法，也可以讓你設(shè)計(jì)的高速PCB電路達(dá)到阻抗要求
你不想搞懂高深的理論知識(shí)，下面說(shuō)一下簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法，也可以讓你設(shè)計(jì)的高速PCB電路達(dá)到阻抗要求。你在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，單端信號(hào)線走線寬度設(shè)置成一個(gè)寬度，差分（雙端）走線設(shè)置為另一寬度，電源線等過電流的線按電流要求又設(shè)置成其它寬度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如單端線寬設(shè)為5mil，差分的設(shè)為4.5mil,線間距都為5mil，當(dāng)然還要考慮參考平面。這樣，你在發(fā)板要求里給生產(chǎn)廠家說(shuō)明，說(shuō)：線寬為5mil的都給做成50歐姆阻抗，線寬為4.5mil的為差分線，做成100歐姆阻抗就行了。這里說(shuō)明的是每種阻抗做一種寬度，生產(chǎn)廠家就會(huì)按你的要求給你計(jì)算生產(chǎn)成你要的阻抗要求了。當(dāng)然，你做的線寬還是要先用阻抗計(jì)算軟件計(jì)算下，誤差大了，生產(chǎn)廠家給你調(diào)整不了的。
簡(jiǎn)單說(shuō)明就是，你是不同的阻抗用不同線寬，他們就會(huì)把這個(gè)線寬選擇出來(lái)調(diào)整，他們可以改變線寬、線間距、介質(zhì)材料、銅厚度、介質(zhì)厚度等來(lái)滿足阻抗要求。在設(shè)計(jì)之前也要多和廠家溝通，調(diào)整設(shè)計(jì)元素，減少?gòu)S家的調(diào)整難度。
致遠(yuǎn)產(chǎn)品從低速到高速，從單機(jī)產(chǎn)品到復(fù)雜產(chǎn)品，以致今天我們做高端儀器儀表，是我們十幾年里不斷的摸索學(xué)習(xí)，下了很多心力，才在高速?gòu)?fù)雜電路上有所建樹。今天我們的高端儀器，有高速FPGA,高速DSP,DDR2/DDR3多內(nèi)存組成的大系統(tǒng)，我們能使它穩(wěn)定可靠的工作，全靠這些理論知識(shí)加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合。如我們做了氣體分析記錄儀器，單板用了22片DDR內(nèi)存，我們PA系列功率分析儀，板卡內(nèi)是DSP+FPGA組成的復(fù)雜系統(tǒng)，板卡間跑PCIE高速信號(hào)，這些都靠我們的扎實(shí)豐富的理論加實(shí)踐知識(shí)去完成的。
任何一門知識(shí)都不是單獨(dú)存在的，它都和其它知識(shí)組成系統(tǒng)知識(shí)，只有在相關(guān)知識(shí)上都了解情況下，再融合貫通，靈活應(yīng)用，才能做出好的作品來(lái)。
