電路板阻抗原理知識及應(yīng)用
我們做電子設(shè)計，遇到高速電路時會遇到很多問題，也會有很多新名詞，比如：過沖，下沖，時延，阻抗，反射等，經(jīng)過我的反復(fù)思考與研究，得到一些心得，跟大家一起分享。
隨著信號傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應(yīng)用，對印刷電路板也提出了更高的要求。印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號保持完整，降低傳輸損耗，起到匹配阻抗的作用，這樣才能得到完整、可靠、精確、無干擾、噪音低的傳輸信號。
在高速數(shù)字電路的PCB設(shè)計上，我們設(shè)計的產(chǎn)品不管是用到DDR2，還是DDR3內(nèi)存，不管是PCIE差分還是SATA傳輸，都用到了高速PCB設(shè)計技術(shù)，而我們所設(shè)計的PCB用了阻抗控制技術(shù)后，基本上沒有出現(xiàn)是PCB問題跑不通的情況。要理解高速信號的設(shè)計知識，先要從一些基礎(chǔ)電子知識說起。
導(dǎo)體中的自由電子在電場的作用下定向移動形成電流。電流方向只是物理學(xué)中約定俗成的一個規(guī)定,物理上規(guī)定電流的方向是正電荷的定向移動的方向或者負(fù)電荷的定向移動的反方向。電流的速度不是電子運動速度，而是電場的速度。
電信號的傳播速度是與導(dǎo)體周圍的介質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的，電信號在真空中（指導(dǎo)體周圍比較大的范圍內(nèi)都是真空）的傳播速度是光速3*10^8 m/s,換算為30 cm/ns 。在其它的介質(zhì)中，它的傳輸速度是不一樣的，如果相對介電系數(shù)是 Er ，則傳播速度為 30/Er^0.5。例如，在水中，水的相對介電系數(shù)是80，所以，傳播速度約是真空中的1/9 ，即： 30/80^0.5 = 3.35 cm/ns。在PCB中，F(xiàn)R4的相對介電系數(shù)約為4，所以，傳播速度是真空中的一半，即：30/4^0.5 = 15 cm/ns。
傳輸線的特征阻抗，又稱為特性阻抗，是我們在進(jìn)行高速電路設(shè)計的時候經(jīng)常會提到的一個概念。信號在傳輸線中傳輸?shù)倪^程中，在信號到達(dá)的一個點，傳輸線和參考平面之間會形成電場，由于電場的存在，會產(chǎn)生一個瞬間的小電流，這個小電流在傳輸線中的每一點都存在。同時信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點就會等效成一個電阻，這個電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。這里一定要區(qū)分一個概念，就是特征阻抗是對于交流信號(或者說高頻信號)來說的，對于直流信號，傳輸線有一個直流阻抗，這個值可能會遠(yuǎn)小于傳輸線的特征阻抗。一旦傳輸線的特性確定了(線寬，與參考平面的距離等特性)，那么傳輸線的特征阻抗就確定了。一般的PCB走線特征阻抗計算公式： Z0≈ (L/C)^0.5
其中L是單位長度傳輸線的固有電感，C是單位長度傳輸線的固有電容。通過這個簡單的計算公式我們能看出來，要改變傳輸線的特征阻抗就要改變單位長度傳輸線的固有電感和電容。
根據(jù)以上公式，這樣我們就能更好的理解影響傳輸線特征阻抗的幾個因素：
- a. 線寬與特征阻抗成反比。增加線寬相當(dāng)于增大電容，也就減小了特征阻抗，反之亦然。
- b. 介電常數(shù)與特征阻抗成反比。同樣提高介電常數(shù)相當(dāng)于增大電容。
- c. 傳輸線到參考平面的距離與特征阻抗成正比。增加傳輸線與參考平面的距離相當(dāng)于減小了電容，這樣也就增大了特征阻抗，反之亦然。
- d. 傳輸線的長度與特征阻抗沒有關(guān)系。通過公式可以看出來L和C都是單位長度傳輸線的參數(shù)，與傳輸線的長度并沒有關(guān)系。
- e. 線徑與特征阻抗成反比。由于高頻信號的趨膚效應(yīng)，影響較其他因素小。
下面再以圖示的方法說明下，傳輸線是一個分布參數(shù)系統(tǒng)，它的每一段都具有分布電容、電感和電阻。傳輸線的分布參數(shù)通常用單位長度的電感L和單位長度的電容C以及單位長度上的電阻、電導(dǎo)來表示，它們主要由傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和絕緣介質(zhì)的特性所決定的。分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數(shù)，給定某一種傳輸線，這些參數(shù)的值也就確定了，這些參數(shù)反映著傳輸線的內(nèi)在因素，它們的存在決定著傳輸線的一系列重要特性。傳輸線的等效電路是由無數(shù)個微分線段的等效電路串聯(lián)而成。
在上圖里，以t1時間段來說，電阻Ra1的阻值很小，電感L1也很小，電容C1也很小，電阻Rb1很大。電信號從低電平變高電平高電平，它不是整條導(dǎo)線上一下子就變?yōu)楦唠娖搅耍窍皴X塘江大潮漲潮或波浪推進(jìn)時，是有一個過程的。錢塘江大潮來后，就把江面從低水位變到高水位了，波浪是一個一個的來，就像高頻信號不停的傳輸。信號電場也如潮水一樣，它是后面的推前邊的，前面的繼續(xù)向前。
在導(dǎo)線上的一個固定地點，它的電平是如潮頭逐漸上升的，這個上升的波形，就是我們平?？梢杂檬静ㄆ鳒y量的上升沿，這個上升沿有快有慢，高速信號，需要上升沿和下降沿都要快，否則電平還沒到，下一個信號電平又來了。而低頻信號并不等于上升沿下降沿就平緩，它也可以比較陡。低頻信號如果上升沿和下降沿比較陡的，也要當(dāng)高頻信號來處理。
我們可以這樣來簡單理解信號傳播與信號回路問題，一個信號在導(dǎo)體里傳播，它就要受到導(dǎo)體上電阻的衰減，電感的阻礙，給寄生電容充電和介質(zhì)漏電等。微分導(dǎo)線后可見，信號峰頭到這里來后，由于給寄生電容充電和介質(zhì)漏電，它就會沿傳播路徑下的參考平面有一個返回電流，然后到下一個微分點，電流又返回到前一個點，這個信號還未傳到終點前，沿導(dǎo)線的傳播路徑的返回電流一直存在，等信號到達(dá)終點后，整個通路建立平衡后，返回路徑才從信號最好走的（最短路徑，最小電阻）路徑返回。
低速信號的信號峰頭從始點到終點的時間和高速信號一樣，但它兩個信號間時間比較長，信號推進(jìn)時從導(dǎo)體路徑返回電流，平衡后從最短路徑返回。而信號峰頭從始點到終點的時間遠(yuǎn)小于信號周期，所以大部分電流從最短路徑返回了。
高速信號和低速信號不一樣，它的波形一個接一個的，所以絕大部分返回電流從信號傳播路徑返回。
前面說過，在FR4的相對介電系數(shù)為4的PCB中，信號傳播速度是約為15 cm/ns。如果我們以15cm長的導(dǎo)體來傳信號，信號從這頭傳到那頭就要1ns的時間，一個500MHz的時鐘信號在里面?zhèn)鞑ィ褪且粋€波的峰頭還沒到，第二波形又發(fā)出去了。這樣一個波一個波的傳過去，返回的電流一直從傳播路徑上走。
信號傳播，也相當(dāng)于在給沿途的寄生電容充電，寄生電容的負(fù)端就有返回電流了。
我們?yōu)槭裁匆v返回路徑，返回路徑是信號傳播的原動力，只有讓返回路徑暢通，信號傳播途中才有電壓差，才使信號向前走。所以返回路徑是電子電路必不可少的，是設(shè)計PCB特別是高速電路一定要考慮的，否則，就有串?dāng)_，反射，過沖，波形畸變等各種情況產(chǎn)生，電路工作不正常。返回路徑就是參考面，參考平面是阻抗的一大因子。
在下圖中，是單端導(dǎo)線的截面圖，阻抗與H1成正比，與Er成反比，與W1、W2、T1成反比，大家可以看出，W1，W2，T1是一個梯形面，這三個參數(shù)組成的就是導(dǎo)體截面，實際阻抗與導(dǎo)線截面積成反比。也就是說，特性阻抗是與導(dǎo)體截面積、導(dǎo)體到參考平面的距離和導(dǎo)體到參考平面間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)的。
我們在設(shè)計PCB板時，設(shè)計好參考平面，如四層板，中間兩層是參考層；六層板，第二層和第五層是參考層。參考平面可以是地層，也可以是電源層，以地為參考層更好。
六層板的第一層和第三層以第二層為參考平面，第四層和第六層以第五層為參考平面，要使第三層和第四層相互影響較小，可以把PP片3的厚度加大，厚度加大到遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（三倍以上）PP片2的厚度時，它們間的影響就非常小了。如PP片2和PP片4的厚度為3mil,PP片3的厚度為10mil,這時，你用阻抗計算軟件算第三層或第四層信號線的阻抗，你用微帶線和帶狀線的模型去計算，計算的結(jié)果相差不大。
用這個比喻大家就明白了，月亮到地球的距離是38萬公里，地球到太陽的距離是1.5億公里，太陽的質(zhì)量和體積都比地球大得非常多，但對月球的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及地球，原因就是月亮到地球的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于到太陽的距離。所以大家在對待多層數(shù)復(fù)雜電路板的時候，找好一個參考層，讓其它層遠(yuǎn)離這個信號層，讓指定的這個參考層為主影響，這時，我們設(shè)計的阻抗疊層模型就要簡單很多。
參考層要完整覆蓋信號走線，中間斷面或打孔過多造成隔斷，都會嚴(yán)重影響信號傳輸質(zhì)量。但很多時候為了成本考慮用合理的層數(shù)，信號要換層，參考面也可能是兩個電源平面，中間是分?jǐn)嗟?，這時就要有方法處理下。信號線換層時，也要考慮返回電流的回路，所以參考層變了，也要把回路聯(lián)通，對于參考層不是一個電平的，要在兩個電平參考層間加電容連接，如下圖：
參考層變化了，阻抗就就變了。參考層電平不一樣，又不能直接連通，這時就加電容來連接。電容有通交隔直的作用，在兩個不同電平的參考面間加電容，給高頻信號一個返回通路，也使阻抗不連續(xù)變好一些。
上面講了一部分阻抗設(shè)計知識，當(dāng)然這些知識是我們平常很少注意的地方,也從另一個側(cè)面來理解阻抗。要徹底搞懂阻抗知識及用好它，我們還有很多知識點需要補(bǔ)充，這些知識點很容易在書本上看到的，也要花很多功夫?qū)W習(xí)。
做PCB設(shè)計，把元件布好和連接好導(dǎo)線只算低層次。要想你設(shè)計的電路板可靠地工作，還有非常多的知識要補(bǔ)充學(xué)習(xí)，再靈活應(yīng)用。。
簡單的設(shè)計方法，也可以讓你設(shè)計的高速PCB電路達(dá)到阻抗要求
你不想搞懂高深的理論知識，下面說一下簡單的設(shè)計方法，也可以讓你設(shè)計的高速PCB電路達(dá)到阻抗要求。你在設(shè)計PCB時，單端信號線走線寬度設(shè)置成一個寬度，差分（雙端）走線設(shè)置為另一寬度，電源線等過電流的線按電流要求又設(shè)置成其它寬度。根據(jù)經(jīng)驗，如單端線寬設(shè)為5mil，差分的設(shè)為4.5mil,線間距都為5mil，當(dāng)然還要考慮參考平面。這樣，你在發(fā)板要求里給生產(chǎn)廠家說明，說：線寬為5mil的都給做成50歐姆阻抗，線寬為4.5mil的為差分線，做成100歐姆阻抗就行了。這里說明的是每種阻抗做一種寬度，生產(chǎn)廠家就會按你的要求給你計算生產(chǎn)成你要的阻抗要求了。當(dāng)然，你做的線寬還是要先用阻抗計算軟件計算下，誤差大了，生產(chǎn)廠家給你調(diào)整不了的。
簡單說明就是，你是不同的阻抗用不同線寬，他們就會把這個線寬選擇出來調(diào)整，他們可以改變線寬、線間距、介質(zhì)材料、銅厚度、介質(zhì)厚度等來滿足阻抗要求。在設(shè)計之前也要多和廠家溝通，調(diào)整設(shè)計元素，減少廠家的調(diào)整難度。
致遠(yuǎn)產(chǎn)品從低速到高速，從單機(jī)產(chǎn)品到復(fù)雜產(chǎn)品，以致今天我們做高端儀器儀表，是我們十幾年里不斷的摸索學(xué)習(xí)，下了很多心力，才在高速復(fù)雜電路上有所建樹。今天我們的高端儀器，有高速FPGA,高速DSP,DDR2/DDR3多內(nèi)存組成的大系統(tǒng)，我們能使它穩(wěn)定可靠的工作，全靠這些理論知識加實踐經(jīng)驗結(jié)合。如我們做了氣體分析記錄儀器，單板用了22片DDR內(nèi)存，我們PA系列功率分析儀，板卡內(nèi)是DSP+FPGA組成的復(fù)雜系統(tǒng)，板卡間跑PCIE高速信號，這些都靠我們的扎實豐富的理論加實踐知識去完成的。
任何一門知識都不是單獨存在的，它都和其它知識組成系統(tǒng)知識，只有在相關(guān)知識上都了解情況下，再融合貫通，靈活應(yīng)用，才能做出好的作品來。
