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電路板設(shè)計(jì)如何做阻抗控制?(上)

發(fā)布時(shí)間 :2017-06-19 14:18 閱讀 : 來(lái)源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
    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(chǎng)商需要理解和控制PCB跡線(xiàn)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(xiàn)不再是簡(jiǎn)單的連接,而是傳輸線(xiàn)。
 
    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(xiàn)阻抗。PCB跡線(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗(即波沿信號(hào)傳輸線(xiàn)路傳送時(shí)電壓與電流的比值)。印制電路板上導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路本身若因蝕刻,疊層厚度,導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的阻抗的因素主要有:銅線(xiàn)的寬度、銅線(xiàn)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(xiàn)的路徑、走線(xiàn)周邊的走線(xiàn)等。PCB阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。
    在實(shí)際情況下,PCB傳輸線(xiàn)路通常由一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)跡線(xiàn)、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線(xiàn)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(xiàn)的寬度和厚度;
跡線(xiàn)兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度;
跡線(xiàn)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(xiàn)主要有兩種形式:微帶線(xiàn)(Microstrip)與帶狀線(xiàn)(Stripline)。
 
微帶線(xiàn)(Microstrip):
    微帶線(xiàn)是一根帶狀導(dǎo)線(xiàn),指只有一邊存在參考平面的傳輸線(xiàn),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(xiàn)路板的表面之上,以電源或接地層為參考。如下圖所示:
微帶線(xiàn)是一根帶狀導(dǎo)線(xiàn),指只有一邊存在參考平面的傳輸線(xiàn),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(xiàn)路板的表面之上,以電源或接地層為參考。
注意:在實(shí)際的PCB制造中,板廠(chǎng)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(xiàn)采用下圖所示的模型進(jìn)行計(jì)算:
在實(shí)際的阻抗計(jì)算中,通常對(duì)于表面微帶線(xiàn)采用下圖所示的模型進(jìn)行計(jì)算
 
帶狀線(xiàn)(Stripline):
帶狀線(xiàn)是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導(dǎo)線(xiàn),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。
帶狀線(xiàn)是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導(dǎo)線(xiàn)
    上述兩個(gè)例子只是微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的一個(gè)典型示范,具體的微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)有很多種,如覆膜微帶線(xiàn)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):
絕緣層的介電常數(shù)Er、走線(xiàn)寬度W1、W2(梯形)、走線(xiàn)厚度T和絕緣層厚度H。
對(duì)于W1、W2的說(shuō)明:
走線(xiàn)寬度W1、W2(梯形)
此處的W=W1,W1=W2.
規(guī)則:W1=W-A
W—-設(shè)計(jì)線(xiàn)寬
A—–Etch loss (見(jiàn)上表)
走線(xiàn)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(xiàn)呈梯形。
   走線(xiàn)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:
底板PCB的疊層底板PCB的疊層
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。
需要進(jìn)行阻抗控制的信號(hào)為:
DDR的數(shù)據(jù)線(xiàn),單端阻抗為50歐姆,走線(xiàn)層為T(mén)OP和L2、L3層,走線(xiàn)寬度為5mil。
時(shí)鐘信號(hào)CLK和USB數(shù)據(jù)線(xiàn),差分阻抗控制在100歐姆,走線(xiàn)層為L(zhǎng)2、L3層,走線(xiàn)寬度為6mil,走線(xiàn)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)算值與名義值差別應(yīng)小于的阻抗范圍的10%
計(jì)算值必須在紅框范圍內(nèi)。其余情況類(lèi)推。


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