【導(dǎo)讀】印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在高頻電路的PCB設(shè)計(jì)中，必須考慮導(dǎo)線的特性阻抗和器件或信號(hào)所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。本文重點(diǎn)討論阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
隨著 PCB 信號(hào)切換速度不斷增長(zhǎng)，當(dāng)今的 PCB 設(shè)計(jì)廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號(hào)傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率，PCB 跡線不再是簡(jiǎn)單的連接，而是傳輸線。
在實(shí)際情況中，需要在數(shù)字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過(guò)300Mhz時(shí)控制跡線阻抗。PCB 跡線的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗（即波沿信號(hào)傳輸線路傳送時(shí)電壓與電流的比值）。印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在高頻電路的PCB設(shè)計(jì)中，必須考慮導(dǎo)線的特性阻抗和器件或信號(hào)所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。這就涉及到兩個(gè)概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點(diǎn)討論阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
阻抗控制。
阻抗控制(eImpedance Controling)，線路板中的導(dǎo)體中會(huì)有各種信號(hào)的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻，疊層厚度，導(dǎo)線寬度等不同因素，將會(huì)造成阻抗值得變化，使其信號(hào)失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱(chēng)為“阻抗控制”。
PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有: 銅線的寬度、銅線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤(pán)的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。
在實(shí)際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個(gè)導(dǎo)線跡線、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結(jié)構(gòu)，并且控制阻抗也可以采用各種方式來(lái)構(gòu)建。但是，無(wú)論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定：
信號(hào)跡線的寬度和厚度
跡線兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度
跡線和板層的配置
內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)
PCB傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。
微帶線（Microstrip）：
微帶線是一根帶狀導(dǎo)線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，頂部和側(cè)邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數(shù) Er 線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。如下圖所示：
注意：在實(shí)際的PCB制造中，板廠通常會(huì)在PCB板的表面涂覆一層綠油，因此在實(shí)際的阻抗計(jì)算中，通常對(duì)于表面微帶線采用下圖所示的模型進(jìn)行計(jì)算：
帶狀線（Stripline）：
帶狀線是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導(dǎo)線，如下圖所示，H1和H2代表的電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。
上述兩個(gè)例子只是微帶線和帶狀線的一個(gè)典型示范，具體的微帶線和帶狀線有很多種，如覆膜微帶線等，都是跟具體的PCB的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。
用于計(jì)算特性阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，通常使用場(chǎng)求解方法，其中包括邊界元素分析在內(nèi)，因此使用專(zhuān)門(mén)的阻抗計(jì)算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數(shù)：
[page]
絕緣層的介電常數(shù)Er、走線寬度W1、W2（梯形）、走線厚度T和絕緣層厚度H。
對(duì)于W1、W2的說(shuō)明：
此處的W=W1，W1=W2.
規(guī)則：W1=W-A
W—-設(shè)計(jì)線寬
A—–Etch loss (見(jiàn)上表)
走線上下寬度不一致的原因是：PCB板制造過(guò)程中是從上到下而腐蝕，因此腐蝕出來(lái)的線呈梯形。
走線厚度T與該層的銅厚有對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如下：
銅厚
COPPER THICKNESS
Base copper thk For inner layer For outer layer
H OZ 0.6mil 1.8mil
1 OZ 1.2MIL 2.5MIL
2 OZ 2.4MIL 3.6MIL
綠油厚度：
*因綠油厚度對(duì)阻抗影響較小，故假定為定值0.5mil。
我們可以通過(guò)控制這幾個(gè)參數(shù)來(lái)達(dá)到阻抗控制的目的，下面以安維的底板PCB為例說(shuō)明阻抗控制的步驟和SI9000的使用：
底板PCB的疊層為下圖所示：
第二層為地平面，第五層為電源平面，其余各層為信號(hào)層。
各層的層厚如下表所示：
Layer Name Type Material Thinkness Class
SURFACE AIR
TOP CONDUCTOR COPPER 0.5 OZ ROUTING
DIELECTRIC FR-4 3.800MIL
L2-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ PLANE
DIELECTRIC FR-4 5.910MIL
L3-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ ROUTING
DIELECTRIC FR-4 33.O8MIL
L4-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ ROUTING
DIELECTRIC FR-4 5.910MIL
L5-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ PLANE
DIELECTRIC FR-4 3.800MIL
BOTTOM CONDUCTOR COPPER 0.5 OZ ROUTING
SURFACE AIR
說(shuō)明：中間各層間的電介質(zhì)為FR-4，其介電常數(shù)為4.2；頂層和底層為裸層，直接與空氣接觸，空氣的介電常數(shù)為1。
[page]
需要進(jìn)行阻抗控制的信號(hào)為：
DDR的數(shù)據(jù)線，單端阻抗為50歐姆，走線層為T(mén)OP和L2、L3層，走線寬度為5mil。
時(shí)鐘信號(hào)CLK和USB數(shù)據(jù)線，差分阻抗控制在100歐姆，走線層為L(zhǎng)2、L3層，走線寬度為6mil，走線間距為6mil。
對(duì)于計(jì)算精度的說(shuō)明:
1、對(duì)于單端阻抗控制，計(jì)算值等于客戶(hù)要求值；
2、對(duì)于其他特性阻抗控制：
對(duì)于其它所有的阻抗設(shè)計(jì)(包括差別和特性阻抗)
*計(jì)算值與名義值差別應(yīng)小于的阻抗范圍的10%：
例如：客戶(hù)要求：60+/-10%ohm
阻抗范圍=上限66-下限54=12ohms
阻抗范圍的10%=12X10%=1.2ohms
計(jì)算值必須在紅框范圍內(nèi)。其余情況類(lèi)推。
下面利用SI9000計(jì)算是否達(dá)到阻抗控制的要求：
首先計(jì)算DDR數(shù)據(jù)線的單端阻抗控制：
TOP層：銅厚為0.5OZ，走線寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數(shù)為4.2。選擇模型，代入?yún)?shù)，選擇lossless calculation,如圖所示：
計(jì)算得到單端阻抗為Zo=55.08ohm，與要求相差5歐姆。根據(jù)板廠的反饋，他們將走線寬度改為6MIL以達(dá)到阻抗控制，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，在寬度W2=6MIL,W1=7MIL的情況下，計(jì)算得到的單端阻抗為Zo=50.56歐姆，符合設(shè)計(jì)要求。
L2層：在L2層的走線模型如下圖所示：
代入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算得到如下圖所示：
計(jì)算得到單端阻抗為Zo=50.59歐姆，符合設(shè)計(jì)要求。
同理可以得到L3層的單端阻抗，在此不再贅述。
[page]
下面計(jì)算差分阻抗控制：
由PCB設(shè)計(jì)可知，底板PCB中時(shí)鐘走線在L3層，USB數(shù)據(jù)線在L2層，走線寬度均為6MIL,間距為6MIL。
時(shí)鐘信號(hào)選擇的模型如下所示：
按照提供給板廠的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果如下圖所示：
根據(jù)板廠的反饋，差分阻抗只能做到85歐姆，與計(jì)算結(jié)果接近（他們可以微調(diào)板層厚度，但不能調(diào)線）。但是改變線間距為12MIL時(shí)，計(jì)算得到的差分阻抗為92.97歐姆，再將線寬調(diào)為5MIL時(shí)，差分阻抗為98.99歐姆，基本符合設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)驗(yàn)小結(jié)
1、當(dāng)差分走線在中間信號(hào)層走線時(shí)，差分阻抗的控制比較困難，因?yàn)榫炔粔颍褪钦f(shuō)改變介質(zhì)層厚度對(duì)差分阻抗的影響不大，只有改變走線的間距才對(duì)差分阻抗影響較大。但是當(dāng)走線在頂層或底層時(shí)，差分阻抗就比較好控制，很容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)實(shí)際計(jì)算發(fā)現(xiàn)，重要的信號(hào)線最好走表層，容易進(jìn)行阻抗控制，尤其是時(shí)鐘信號(hào)差分對(duì)。
2、在PCB設(shè)計(jì)之前，首先必須通過(guò)阻抗計(jì)算，把PCB的疊層參數(shù)確定，如各層的銅厚，介質(zhì)層的厚度等等，還有差分走線的寬度和間距都需要事先計(jì)算得出，這些就是PCB的前端仿真，保證重要的信號(hào)線的阻抗控制滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
3、關(guān)于介電常數(shù)Er的問(wèn)題：
以我們使用最多的FR-4介質(zhì)的材料板為例：實(shí)際多層板是芯板和壓合樹(shù)脂層堆疊而成，其芯板本身也是由半固化片組合而成。常用的三種半固化片技術(shù)指標(biāo)如下表1 所示。
半固化片組合的介電常數(shù)不是簡(jiǎn)單的算術(shù)平均，甚至在構(gòu)成微帶線和帶狀線時(shí)的Er值也有所不同。另一方面，F(xiàn)R-4的Er也隨信號(hào)頻率的變化有一定改變，不過(guò)在1GHz 以下一般認(rèn)為FR-4 材料的Er 值約4.2。通常計(jì)算時(shí)采用4.2。
4、在實(shí)際的阻抗控制中，一般采用介質(zhì)為FR-4，其Er約4.2，線條厚度t對(duì)阻抗影響較小，實(shí)際主要可以調(diào)整的是H和W，W(設(shè)計(jì)線寬)一般情況下是 由設(shè)計(jì)人員決定的，但在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮線寬對(duì)阻抗的配合性和實(shí)際加工精度。當(dāng)然，采用較小的W 值后線條厚度t 的影響就不容忽視了。H(介質(zhì)層厚度)對(duì)阻抗控制的影響最大，實(shí)際H 有兩類(lèi)情況：一種是芯板，材料供應(yīng)商所提供的板材中H的厚度也是由以上三種半固化片組合而成，但其在組合的過(guò)程中必然會(huì)考慮三種材料的特性，而絕非無(wú)條件 的任意組合，因此板材的厚度就有了一定的規(guī)定，形成了一個(gè)相應(yīng)的清單，同時(shí)H 也有了一定的限制。如0.17mm 1/1的芯板為 2116 ×1，0.4mm 1/1的芯板為1080×2+7628×1等。另一種是多層板中壓合部分的厚度：其方法基本上與前相同但需注意銅層的損失。如內(nèi)電層間用半固化片進(jìn)行填 充，因在制作內(nèi)層的過(guò)程中銅箔被蝕刻掉的部分很少，則半固化片中樹(shù)脂對(duì)該區(qū)的填充亦很少，則半固化片的厚度損失可忽略。反之，如信號(hào)層之間用半固化片進(jìn)行 填充，由于銅箔被蝕刻掉的部分較多，則半固化片的厚度損失會(huì)很大且難以估計(jì)。因此，有人建議在內(nèi)層的信號(hào)層要求鋪銅以減少厚度損失。
5、特征阻抗與傳輸線的寬度是成反比的,寬度越寬，阻抗越低,反之則阻抗更高。
6、在有些板的設(shè)計(jì)要求中對(duì)板層厚度有限制時(shí)，此時(shí)要達(dá)到比較好的阻抗控制，采用好的疊層設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。從實(shí)際的計(jì)算中可以得出以下結(jié)論：
a. 每個(gè)信號(hào)層都要有參考平面相鄰, 能保證其阻抗和信號(hào)質(zhì)量;
b. 每個(gè)電源層都要有完整的地平面相鄰, 使得電源的性能得以較好的保證;
[page]
7、關(guān)于差分走線的線寬和間距對(duì)阻抗控制的討論：
通過(guò)軟件計(jì)算發(fā)現(xiàn)，改變差分對(duì)的間距對(duì)阻抗控制的影響較大，但是這里涉及到另一個(gè)問(wèn)題，就是差分對(duì)的耦合問(wèn)題。
差分對(duì)耦合的主要目的是增強(qiáng)對(duì)外界的抗干擾能力和抑止EMI。耦合分為緊耦合方式( 即差分對(duì)線間距小于或等于線寬) 和松耦合方式。
如果能保證周?chē)械淖呔€離差分對(duì)較遠(yuǎn)（比如遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3 倍的線寬），那么差分走線可以不用保證緊密的耦合，最關(guān)鍵的是保證走線長(zhǎng)度相等即可。（可以參見(jiàn)Johnson 的信號(hào)完整性網(wǎng)站上的關(guān)于差分走線的闡述，他就要求他的layout 工程師將差分線離得較遠(yuǎn)，這樣可以方面繞線）。只是目前大多數(shù)多層高速的PCB 板走線空間很緊密，根本無(wú)法將差分走線和其它走線隔離開(kāi)來(lái)，所以這時(shí)候保持緊密的耦合以增加抗干擾能力是應(yīng)該的。
緊耦合不是差分走線的必要條件，但是在空間不夠時(shí)走線采用緊耦合方式能夠增強(qiáng)差分走線的抗干擾能力。因此，對(duì)于差分對(duì)的阻抗控制問(wèn)題，怎么調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)需要綜合考慮上述因素，擇優(yōu)選擇。一般情況下不輕易調(diào)整差分對(duì)的間距和線寬。
延伸：差分對(duì)走線的PCB要求
（1）確定走線模式、參數(shù)及阻抗計(jì)算。差分對(duì)走線分外層微帶線差分模式和內(nèi)層帶狀線差分模式兩種，通過(guò)合理設(shè)置參數(shù)，阻抗可利用相關(guān)阻抗計(jì)算軟件(如POLAR-SI9000)計(jì)算也可利用阻抗計(jì)算公式計(jì)算。
（2）走平行等距線。確定走線線寬及間距，在走線時(shí)要嚴(yán)格按照計(jì)算出的線寬和間距，兩線間距要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種： 一種為兩條線走在同一線層(side-by-side)，另一種為兩條線走在上下相兩層(over-under)。一般盡量避免使用后者即層間差分信號(hào)， 因?yàn)樵赑CB板的實(shí)際加工過(guò)程中，由于層疊之間的層壓對(duì)準(zhǔn)精度大大低于同層蝕刻精度，以及層壓過(guò)程中的介質(zhì)流失，不能保證差分線的間距等于層間介質(zhì)厚度， 會(huì)造成層間差分對(duì)的差分阻抗變化。困此建議盡量使用同層內(nèi)的差分。
（3）.緊耦合原則。
在計(jì)算線寬和間距時(shí)最好遵守緊耦合的原則，也就是差分對(duì)線間距小于或等于線寬。當(dāng)兩條差分信號(hào)線距離很近時(shí)，電流傳輸方向相反，其磁場(chǎng)相互抵消，電場(chǎng)相互耦合，電磁輻射也要小得多。
（4）.走短線、直線。
為確保信號(hào)的質(zhì)量，差分對(duì)走線應(yīng)該盡可能地短而直，減少布線中的過(guò)孔數(shù)，避免差分對(duì)布線太長(zhǎng)，出現(xiàn)太多的拐彎，拐彎處盡量用45°或弧線，避免90°拐彎。
（5）.不同差分線對(duì)間處理。
差分對(duì)對(duì)走線方式的選擇沒(méi)有限制，微帶線和帶狀線均可，但是必須注意要有良好的參考平面。對(duì)不同差分線之間的間距要求間隔不能太小，至少應(yīng)大于3～5倍差分線間距。必要時(shí)在不同差分線對(duì)之間加地孔隔離以防止相互問(wèn)的串?dāng)_。
（6）.遠(yuǎn)離其它信號(hào)。
對(duì)差分對(duì)信號(hào)和其它信號(hào)比如TTL信號(hào)，最好使用不同的走線層，如果因?yàn)樵O(shè)計(jì)限制必須使用同一層走線，差分對(duì)和TTL的距離應(yīng)該足夠遠(yuǎn)，至少應(yīng)該大于3~5倍差分線間距。
（7）.差分信號(hào)不可以跨平面分割。
盡管兩根差分信號(hào)互為回流路徑，跨分割不會(huì)割斷信號(hào)的回流，但是跨分割部分的傳輸線會(huì)因?yàn)槿鄙賲⒖计矫娑鴮?dǎo)致阻抗的不連續(xù)(如圖箭頭處所示，其中GND1、GND2為L(zhǎng)VDS相鄰的地平面)。
8、PADS LAYOUT中層定義選項(xiàng)卡各個(gè)參數(shù)的解釋說(shuō)明：
coating表示涂覆層，如果沒(méi)有涂覆層，就在thickness 中填0,dielectric（介電常數(shù)）填1（空氣）。
substrate表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用FR-4，厚度是通過(guò)阻抗計(jì)算軟件計(jì)算得到，介電常數(shù)為4.2（頻率小于1GHz時(shí)）。
點(diǎn)擊Weight(oz)項(xiàng)，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。
9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：
PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成，core其實(shí)也是PP類(lèi)型介質(zhì)，只不過(guò)他的兩面都覆有銅箔，而PP沒(méi)有，制作多層板時(shí)，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。
10、PCB疊層設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)：
(1)、翹曲問(wèn)題
PCB的疊層設(shè)計(jì)要保持對(duì)稱(chēng)，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對(duì)稱(chēng)，拿六層板來(lái)說(shuō)，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)翹曲。
（2）、信號(hào)層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號(hào)層和鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。
（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來(lái)隔離信號(hào)層，但建議不要多家電源層來(lái)隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。
（4）、典型的疊層設(shè)計(jì)層分布如下表所示：
（5）、層的排布一般原則：
元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；
所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；
盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；
主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰；
兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。
對(duì)于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長(zhǎng)距離布線，對(duì)于板級(jí)工作頻率在50MHZ 以上的（50MHZ 以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：
元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；
無(wú)相鄰平行布線層；
所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；
關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰，不跨分割區(qū)。
