在这样的速度下,电路板上的导线就不再是简单的“连线”,而变成了一种“传输线”。当信号在电路板上传输时,如果没有合适的阻抗匹配,就会发生反射、串扰和波形畸变。这些问题会直接影响信号完整性,导致通信错误或设备不稳定。
尤其在高速通信、雷达、射频模块、DDR存储、HDMI、USB、SerDes等系统中,阻抗控制已经不是选择,而是必须。例如:
DDR3的数据线要求50Ω单端阻抗;
HDMI差分对要求100Ω;
USB 3.0对线要求90Ω ±10%。
如果不控制阻抗,这些总线就不能正常工作,甚至会造成完全失效。所以,在高速PCB设计中,阻抗控制是一项非常重要的工作。
阻抗不是简单的电阻,而是电压与电流在特定频率下的比值。它包括电阻、电感、电容等的综合作用。在直流电路中我们只关心电阻,但在高频信号中,我们必须考虑阻抗。
当信号从一个点发送到另一个点时,它在传输线上形成电压波和电流波。如果导线的特性阻抗与信号源或接收端不一致,就会反射一部分能量。这会使信号在传输过程中产生多次叠加,从而导致波形畸变。
在PCB中,常见的传输线类型有以下几种:
微带线:信号线在表层,下面是地层,中间是绝缘介质。
带状线(带状微带线):信号线在内层,夹在上下两个平行的地层之间。
差分对线:两根信号线成对走线,用于传输反向信号,提高抗干扰能力。
这些传输线的阻抗由导线宽度、介质厚度、介电常数、铜厚等参数决定。
以下为简化计算:
微带线单端阻抗:
Z ≈ 87 / √εr × ln(5.98h / (0.8w + t))
带状线单端阻抗:
Z ≈ 60 / √εr × ln(4h / (0.67π(w + t)))
差分阻抗:
Zd ≈ 2Z0 × [1 - 0.48e^(-0.96×s/h)]
其中:
εr 是介电常数
h 是介质厚度
w 是走线宽度
t 是铜皮厚度
s 是差分线之间的间距
可见,阻抗控制不是简单画线,而是涉及多个参数之间的配合。
不同的信号协议,对阻抗有不同要求。以下是一些常见标准:
协议 | 类型 | 要求阻抗 |
---|---|---|
USB 2.0 | 差分 | 90Ω ±10% |
USB 3.0 | 差分 | 90Ω ±10% |
HDMI | 差分 | 100Ω ±10% |
LVDS | 差分 | 100Ω ±10% |
DDR3 | 单端/差分 | 50Ω / 100Ω |
SATA | 差分 | 100Ω ±10% |
Ethernet | 差分 | 100Ω ±15% |
设计人员必须根据芯片手册和协议规范,严格控制每条关键线的阻抗值。
设计前必须与硬件工程师和芯片厂商确认阻抗目标。例如,FPGA的参考设计可能要求数据线为50Ω,差分对为100Ω。
必须明确:
走哪一层?
是单端还是差分?
是微带还是带状线?
板厚是多少?
板材类型是什么?
这些都会影响后面的计算。
设计人员可以使用如下工具计算阻抗:
Polar SI9000
Mentor HyperLynx
Saturn PCB Toolkit(免费)
Altium Designer的Stackup Manager
PCB厂商提供的阻抗计算器
这些工具会根据输入参数,计算出对应的线宽、间距。
例如,一个内层信号层(h=0.18mm,εr=4.2),要实现50Ω带状线,线宽约需0.25mm。若为100Ω差分线,间距约0.20mm。
控制阻抗最关键的是保持以下三点稳定:
线宽不能变化;
差分对线间距固定;
层压结构中介质厚度恒定。
如果布线中使用弯曲线,要用45°角或圆弧,避免尖角带来阻抗变化。如果走线穿层,过孔的影响也要评估,有时需要加阻抗补偿。
PCB厂的工艺能力直接影响阻抗控制的结果。设计时,必须将目标阻抗和堆叠结构发给PCB厂确认,包括:
目标阻抗值;
介质厚度、公差;
铜厚;
板材型号;
每层函数定义。
PCB厂会根据实际工艺调整线宽、介质厚度,以满足阻抗目标。如果厂商不具备阻抗控制能力,就不能保证质量。
为确保实际阻抗符合要求,设计中应在边缘添加阻抗测试结构(Coupon)。厂商在生产后用TDR(时域反射)仪器测试,确保其在误差范围内(一般±10%以内)。否则产品不能交付。
解决方案:可以通过增加介质厚度或使用更高εr的材料来适当加宽线宽,使其适合加工要求。
解决方案:尽量减少关键走线上的过孔。如果必须使用,可以在PCB厂中请求阻抗补偿设计。
解决方案:设计时先定义堆叠结构,再布线,而不是先布线再调整堆叠。结构决定一切。
解决方案:同一产品尽量使用同一家PCB厂,或至少保证堆叠、材料完全一致。
阻抗控制不只是理论,它是确保高速电路稳定运行的基本条件。只有设计、计算、制造、测试全流程配合,才能真正达到目标阻抗。
设计工程师需要:
1.了解目标阻抗和协议规范;
2.提前设定层压结构;
3.精确计算线宽、间距;
4.与PCB厂紧密协作;
加入测试Coupon,确保实测值达标。
只要把这些基本工作做到位,就可以保证阻抗控制的质量,从而让高速电路稳定、可靠、安全运行。
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