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PCB板的阻抗是什么？又是如何計(jì)算的呢？

時(shí)間：2021-11-29 16:01:24
關(guān)鍵字： PCB    阻抗   
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[導(dǎo)讀]大家好，我是記得誠(chéng)。PCB工程師在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，對(duì)于高速電路板或電路板上的關(guān)鍵信號(hào)會(huì)經(jīng)常涉及到到“做阻抗”、“阻抗匹配“的這些問(wèn)題。首先解釋下什么是阻抗匹配：阻抗要求是為確保電路板上高速性號(hào)的完整性而提出，它對(duì)高速數(shù)字系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵性因素，在高速系統(tǒng)中，關(guān)鍵信號(hào)線不能...

大家好，我是記得誠(chéng)。




PCB工程師在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，對(duì)于高速電路板或電路板上的關(guān)鍵信號(hào)會(huì)經(jīng)常涉及到到“做阻抗”、“阻抗匹配“的這些問(wèn)題。



首先解釋下什么是阻抗匹配：



阻抗要求是為確保電路板上高速性號(hào)的完整性而提出，它對(duì)高速數(shù)字系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵性因素，在高速系統(tǒng)中，關(guān)鍵信號(hào)線不能當(dāng)成是普通的傳輸線來(lái)看待，必需要考慮其特性阻抗，若關(guān)鍵傳輸線的阻抗沒(méi)有達(dá)到匹配，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射、反彈，損耗，原本良好的信號(hào)波形變形（上沖、下沖、振鈴現(xiàn)象），其將直接影響電路的性能甚至功能。




每次工程師們畫完P(guān)CB后，如果對(duì)于有”做阻抗“需求的PCB時(shí)，就必需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）





以上是PCB制造的一個(gè)工藝要求表，PCB上通常如果有非常多的關(guān)鍵信號(hào)要做阻抗，則可以單獨(dú)附個(gè)文檔，將要進(jìn)行阻抗控制的線路顯示出來(lái)，并說(shuō)明要做的值和誤差，電路板廠就會(huì)對(duì)這些”重要信號(hào)“線進(jìn)行調(diào)整控制。



而阻抗值這些信息是怎么來(lái)的？通常是芯片規(guī)格手冊(cè)上、方案要求上、或者一些業(yè)界都認(rèn)統(tǒng)一認(rèn)可以參數(shù)值。



對(duì)于非電子專業(yè)的朋友來(lái)看PCB板上的走線，其實(shí)對(duì)于高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，線路并不是僅僅從A連通到B這么簡(jiǎn)單了，還要考慮”阻抗因素“，這個(gè)因素會(huì)直接關(guān)系到信號(hào)是否完整的從A點(diǎn)傳到了B點(diǎn)。





這就和上圖的蛇形走線道理一樣，對(duì)于信號(hào)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(diǎn)之間，不是線段最短嗎，線路了，損耗也小嗎？非也，在電子線路里，特別是高速信號(hào)里，講的是匹配性，信號(hào)傳輸是有時(shí)間的，線路越長(zhǎng)，時(shí)間也會(huì)長(zhǎng)，時(shí)序不一樣，就會(huì)影響性能問(wèn)題，當(dāng)然對(duì)于低速，這些都沒(méi)有影響。



如果阻抗不匹配，那么信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)存在非常大的失真、衰減，而最后影響到功能，輕則不穩(wěn)定或者傳輸速度下降，重則直接罷工直接功能實(shí)現(xiàn)不了。而不同信號(hào)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(hào)。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(jù)你的要求，結(jié)合他們的材料/PCB文件線路設(shè)，使用阻抗軟件工具進(jìn)行調(diào)整，最后使用設(shè)備測(cè)試，讓它達(dá)到要求值。





這是板廠使用的阻抗計(jì)算的軟件。



那么影響”阻抗“的因素是哪些呢？大家記錄一下：



它包括：線寬、線距、疊層、PCB板材介質(zhì)及厚度等這都是影響阻抗的因素。板廠工程師就是通過(guò)調(diào)整這些值來(lái)滿足要求。實(shí)際中主要是通過(guò)控制導(dǎo)線寬度、疊層來(lái)控制阻抗（因?yàn)镻CB基材/厚度都是個(gè)定值，比較好動(dòng)的就是線寬/線距參數(shù)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(jì)算的時(shí)候用的對(duì)象都是不一樣的，這里大家都要注意下。所以PCB工程師要學(xué)會(huì)如何用PCB阻抗計(jì)算軟件來(lái)計(jì)算當(dāng)前設(shè)計(jì)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(shù)能更準(zhǔn)確）。



一、阻抗線按類型分為單端阻抗、差分阻抗兩種類型，說(shuō)通俗點(diǎn)是針對(duì)的是單條傳輸線和一對(duì)差分線。



如下圖，分別是差分阻抗、單端阻抗、共面差分阻抗、共面單端阻抗：





二、阻抗線按傳輸媒質(zhì)分為帶狀線和微帶線。



帶狀線：信號(hào)線位于兩層接地面（或電源）之間的介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)線（在內(nèi)層，有兩個(gè)參考平面）根據(jù)傳輸線與兩接地平面的距離相同或不同，又分為對(duì)稱帶狀線和非對(duì)稱帶狀線。



帶狀線的特性阻抗由導(dǎo)線的厚度、寬度、介電常數(shù)，及接地平面的距離有關(guān)。帶狀線兩邊都有電源或者底層，因此阻抗容易控制，同時(shí)屏蔽較好。





微帶線：用電介質(zhì)將導(dǎo)線與地（電源）平面隔開(kāi)的傳輸線（在PCB表層，僅有一個(gè)參考平面）分兩種微帶線，一種是埋入的（在內(nèi)層），一種是非埋入的。微帶線特性阻抗由導(dǎo)線的厚度、寬度、基材厚度及介電常數(shù)決定。主要用于雙層和多層板。

下面看幾種不同類型阻抗圖：

一、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(diào)整有要求
二、特性阻抗(單端阻抗）

針對(duì)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(nèi)層的線則要參考最接近的2層地平面做。
三、共面阻抗（共面差分和共面特性）
3.1共面差分

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。
3.2共面特性

介紹了這么多，大家對(duì)PCB的阻抗是否有點(diǎn)一些認(rèn)識(shí)，大概總結(jié)下：

0、阻抗的作用是為了保證信號(hào)傳輸?shù)耐暾?，確保信號(hào)從A點(diǎn)可以完整傳到B點(diǎn)，不會(huì)變形失真。1、阻抗主要是針對(duì)高速信號(hào)作的要求。2、不同信號(hào)阻抗值不一樣，由PCB設(shè)計(jì)工程師結(jié)合方案要求確認(rèn)。3、阻抗值受PCB非常多的因素影響。4、阻抗值是通過(guò)專業(yè)的阻抗計(jì)算軟件，結(jié)合阻抗類型、線寬、線距、板材、疊層、板厚、介質(zhì)等因素進(jìn)行綜合計(jì)算。5、板廠通過(guò)設(shè)備如阻抗測(cè)試儀測(cè)試最終阻抗。
四、阻抗計(jì)算工具介紹
板廠通常用的阻抗計(jì)算工具軟件是Polar  SI9000，但這里給大家推薦一款阻抗介紹更方便的集成工具，作了漢化，也更好用。這就是PCB的DFM評(píng)審工具中自帶的功能。

通過(guò)在軟件里選擇合適的阻抗類型及PCB相關(guān)參數(shù)，就可以計(jì)算出阻抗值，簡(jiǎn)單好用！大家通過(guò)如下方式下載使用！

華秋DFM下載地址（需在電腦端打開(kāi)）：https://dfm.elecfans.com/uploads/software/promoter/hqdfm_jdc.zip
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