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《PCB迹线的阻抗控制技术》.pdf
随着通信科技的不断提升,必然对PCB 的要求也有了相应的提高,传统意义上PCB 已
受到严峻的挑战,以往 PCB 的最高要求openshort 从目前来看已变成 PCB 的最基本要求,
取而代之的是一些为保证客户设计意图的体现而在 PCB 上所体现的性能的要求,如阻抗控
制等。在过去几年之中,控制阻抗的 PCB 迹线已经开始从纯粹的专家应用转变为更加普及
的应用, 到目前为止有“阻抗”控制的 PCB 已广泛的应用于:SDH、GSM、CDMA、PC 、大
功率无绳电话、手机等,同时也为国防科技提供了相当数量的 PCB 。本文结合我所在PCB
设计过程中的阻抗控制经验,围绕 PCB 迹线的阻抗控制,从下面五个方面分别进行了讨论。
一、PCB 迹线的阻抗控制简介
二、传输线特性阻抗
三、实现阻抗控制的传输线配置方式
四、传输线阻抗计算中的有关问题
五、传输线阻抗控制典型应用总结
一 PCB 迹线的阻抗控制简介
PCB 上的阻抗控制
电信和计算机设备操作的速度和切换速率正在不断增长。尽管在低频情况下,这是一个
可以忽略的物理规律,但现在却需要严肃考虑了。现代 PCB 上处理器时钟速度和组件切换
速度的提高意味着组件间的互连路径(例如 PCB 迹线:PCB trace )不能再视为简单的导线。
实际应用中快速切换速度或高频(即数字边际速度超过 1ns 或者模拟频率大于 300MHz )的
PCB 迹线必须视为传输线--其电子特性必须由 PCB 设计厂商来控制的信号线。就是说,为
了稳定和可预测的高速运行,PCB 迹线和 PCB 绝缘物的电子特性必须得到控制。
PCB 迹线的关键参数之一就是其特性阻抗(即波沿信号传输线路传送时电压与电流的
比值)。这是一个有关迹线物理尺寸(例如迹线的宽度和厚度)和PCB 底板材质的绝缘物厚
度的函数。PCB 迹线的阻抗由其电感和电容电抗决定。
实际情况中,PCB 传输线路通常由一个导线迹线、一个或者多个参考层和绝缘材质组
成。传输线路,即迹线和板材构成了控制阻抗。PCB 通常采用多层结构,并且控制阻抗也
可以采用多层方式来构建。但是,无论使用什么方式,阻抗值都将由其物理结构和绝缘材料
的电子特性决定:
信号迹线的宽度和厚度
迹线两侧的内核和预填充材质的高度
迹线和层的配置
内核和预填充材质的绝缘常数
阻抗匹配
组件自身可以显示特性阻抗,因此必须选择 PCB 迹线阻抗来匹配使用中的所有逻辑系
列的特性阻抗(对于 CMOS 和 TTL ,特性阻抗的范围是 80 到 110 欧姆)。为了最好地
将信号从源传送到负载,迹线阻抗必须匹配发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗。
如果连接两个设备的的 PCB 迹线的阻抗不匹配设备的特性阻抗,在负载设备可以进入
新的逻辑状态之前将会发生多次反射。结果将可能导致高速数字系统中的切换时间或随机错
误增加。为此线路设计工程师和 PCB 设计厂商必须仔细指定迹线阻抗值及其误差。
所以阻抗控制技术在高速 PCB 设计中显得尤其重要。阻抗控制技术包括两个含义:①
阻抗控制的PCB 信号线是指沿高速 PCB 信号线各处阻抗连续,也就是说同一个网络上阻抗
是一个常数。②阻抗控制的PCB 板是指 PCB 板上所有网络的阻抗都控制在一定的范围以内
如 20~75Ω。
线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值,通常在 25
欧姆和 70 欧姆之间。在多层线路板中,传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条线
路中保持恒定。
二 传输线特性阻抗
传输线特性阻抗
传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟,在这里,我们主要讨论特性阻抗。传
输线是一个分布参数系统,它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通
常用单位长度的电感 L 和单位长度的电容 C 以及单位长度上的电阻、电导来表示,它们主
要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。分布的电容、电感和电阻是传输线本身
固有的参数,给定某一种传输线,这些参数的值也就确定了,这些参数反映着传输线的内在
因素,它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。
一个传输线的微分线段 l 可以用等效电路描述如下:
lR lL lL lR
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