對于非電子專業的朋友來看PCB線路板上的走線,對于高速信號來說線路并不是僅僅從A連通到B這么簡單了,還要考慮”阻抗因素“,這個因素會直接關系到信號是否完整的從A點傳到了B點。每次工程師們畫完PCB板后,如果對于有”做阻抗“需求的PCB時,就必須要在工藝要求文件里附上阻抗需求(包括哪些線路、做多大值的阻抗、控制誤差在多少等信息)。
阻抗要求是為確保電路板上高速信號的完整性而提出,它對高速數字系統正常穩定運行起到了關鍵性因素,在高速系統中,關鍵信號線不能當成是普通的傳輸線來看待,必須要考慮其特性阻抗,若關鍵傳輸線的阻抗沒有達到匹配,可能會導致信號反射、反彈,損耗,原本良好的信號波形變形(上沖、下沖、振鈴現象),其將直接影響電路的性能甚至功能。
這就和蛇形走線道理一樣,對于信號傳輸不了解的話,就理解不了為什么這條線不直接拉直,兩點之間,不是線段最短嗎,線路短了,損耗也小嗎?非也,在電子線路里,特別是高速信號里,講的是匹配性,信號傳輸是有時間的,線路越長,時間也會長,時序不一樣,就會影響性能問題,當然對于低速,這些都沒有影響。
如果阻抗不匹配,那么信號傳輸過程中會存在非常大的失真、衰減,而最后影響到功能,輕則不穩定或者傳輸速度下降,重則直接罷工直接功能實現不了。而不同信號的阻抗值不一樣,差分線要求阻抗一般在100歐或120歐,比如高速USB、HDMI信號。單端阻抗要求在50歐75歐等,這些要求就是PCB工程師自己去確定的事,PCB板廠則根據你的要求,結合他們的材料PCB文件線路設,使用阻抗軟件工具進行調整,最后使用設備測試,讓它達到要求值。
那么影響”阻抗“的因素是哪些呢?
它包括:線寬、線距、疊層、PCB板材介質及厚度等這都是影響阻抗的因素。板廠工程師就是通過調整這些值來滿足要求。實際中主要是通過控制導線寬度、疊層來控制阻抗(因為PCB基材厚度都是個定值,比較好動的就是線寬線距參數了)。
阻抗線是有分幾種類型的,不同類型,板廠工程在軟件里計算的時候用的對象都是不一樣的,這里大家都要注意下。所以PCB工程師要學會如何用PCB阻抗計算軟件來計算當前設計的線路是否滿足阻抗值是很有必要的(前提是知道板廠用的板材參數能更準確)。
1、阻抗線按類型分為單端阻抗、差分阻抗兩種類型,說通俗點是針對的是單條傳輸線和一對差分線。分別是差分阻抗、單端阻抗、共面差分阻抗、共面單端阻抗:
2、阻抗線按傳輸媒質分為帶狀線和微帶線。
帶狀線:信號線位于兩層接地面(或電源)之間的介質內的導線(在內層,有兩個參考平面)根據傳輸線與兩接地平面的距離相同或不同,又分為對稱帶狀線和非對稱帶狀線。帶狀線的特性阻抗由導線的厚度、寬度、介電常數,及接地平面的距離有關。帶狀線兩邊都有電源或者底層,因此阻抗容易控制,同時屏蔽較好。
微帶線:用電介質將導線與地(電源)平面隔開的傳輸線(在PCB表層,僅有一個參考平面)分兩種微帶線,一種是埋入的(在內層),一種是非埋入的。微帶線特性阻抗由導線的厚度、寬度、基材厚度及介電常數決定。主要用于雙層和多層板。
1、差分阻抗
參考地平面同單端阻抗一樣,唯一的差別是線寬線距也要調整有要求
2、特性阻抗(單端阻抗)
針對很多線做阻抗,只有下面有地平面,參照最接近的地層做,如果是內層的線則要參考最接近的2層地平面做。
3、共面阻抗(共面差分和共面特性)
共面差分周圍有均勻的銅皮圍著,銅皮到阻抗線距離一致,且銅皮上有成排via孔,共面差分阻抗線下面和周邊都有地平面。
4、共面特性
(1)阻抗的作用是為了保證信號傳輸的完整性,確保信號從A點可以完整傳到B點,不會變形失真。
(2)阻抗主要是針對高速信號作的要求。
(3)不同信號阻抗值不一樣,由PCB設計工程師結合方案要求確認。
(4)阻抗值受PCB非常多的因素影響。
(5)阻抗值是通過專業的阻抗計算軟件,結合阻抗類型、線寬、線距、板材、疊層、板厚、介質等因素進行綜合計算。
(6)PCB板廠通過設備如阻抗測試儀測試最終阻抗。
PCB上如果有非常多的關鍵信號要做阻抗,則可以單獨附個文檔,將要進行阻抗控制的線路顯示出來,并說明要做的值和誤差,電路板廠就會對這些”重要信號“線進行調整控制。而阻抗值這些信息是怎么來的?通常是芯片規格手冊上、方案要求上、或者一些業界都認統一認可以參數值。
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