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電路板阻抗原理知識及應用

前言:

我們做電子設計,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,經過我的反復思考與研究,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生反射現象,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。

在高速數字電路的PCB設計上,我們設計的產品不管是用到DDR2,還是DDR3內存,不管是PCIE差分還是SATA傳輸,都用到了高速PCB設計技術,而我們所設計的PCB用了阻抗控制技術后,基本上沒有出現是PCB問題跑不通的情況。要理解高速信號的設計知識,先要從一些基礎電子知識說起。

基礎知識

導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中約定俗成的一個規定,物理上規定電流的方向是正電荷的定向移動的方向或者負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。


圖1. PA6000功率分析儀的電磁抗擾度測試現場

圖2:定向移動的電子
電場的傳播速度和阻抗沒有直接關系,但它們都與導體周圍的介質有關

電信號的傳播速度是與導體周圍的介質介電常數有關的,電信號在真空中(指導體周圍比較大的范圍內都是真空)的傳播速度是光速3*10^8 m/s,換算為30 cm/ns 。在其它的介質中,它的傳輸速度是不一樣的,如果相對介電系數是 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,FR4的相對介電系數約為4,所以,傳播速度是真空中的一半,即:30/4^0.5 = 15 cm/ns。

傳輸線的特征阻抗是什么

傳輸線的特征阻抗,又稱為特性阻抗,是我們在進行高速電路設計的時候經常會提到的一個概念。信號在傳輸線中傳輸的過程中,在信號到達的一個點,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。

影響傳輸線特征阻抗的幾個因素

根據以上公式,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。增加線寬相當于增大電容,也就減小了特征阻抗,反之亦然。

b. 介電常數與特征阻抗成反比。同樣提高介電常數相當于增大電容。

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于減小了電容,這樣也就減小了特征阻抗,反之亦然。

d. 傳輸線的長度與特征阻抗沒有關系。通過公式可以看出來L和C都是單位長度傳輸線的參數,與傳輸線的長度并沒有關系。

e. 線徑與特征阻抗成反比。由于高頻信號的趨膚效應,影響較其他因素小。

圖示理解信號傳播

下面再以圖示的方法說明下,傳輸線是一個分布參數系統,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、電導來表示,它們主要由傳輸線的幾何結構和絕緣介質的特性所決定的。分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數,給定某一種傳輸線,這些參數的值也就確定了,這些參數反映著傳輸線的內在因素,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個微分線段的等效電路串聯而成。


圖3:傳輸線模型1

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,它不是整條導線上一下子就變為高電平了,而是像錢塘江大潮漲潮或波浪推進時,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,前面的繼續向前。


圖4:潮水在向前推進

圖5:波浪在傳播

在導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,就是我們平常可以用示波器測量的上升沿,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,也要當高頻信號來處理。


圖6:傳輸線模型2
如何簡單理解信號傳播與信號回路問題

我們可以這樣來簡單理解信號傳播與信號回路問題,一個信號在導體里傳播,它就要受到導體上電阻的衰減,電感的阻礙,給寄生電容充電和介質漏電等。微分導線后可見,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,沿導線的傳播路徑的返回電流一直存在,等信號到達終點后,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。

低速信號地回路路徑

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,信號推進時從導體路徑返回電流,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小于信號周期,所以大部分電流從最短路徑返回了。


圖7:低速信號地回路路徑
高速信號地回路路徑

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。


圖8:高速信號地回路路徑

前面說過,在FR4的相對介電系數為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的時鐘信號在里面傳播,就是一個波的峰頭還沒到,第二波形又發出去了。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,也相當于在給沿途的寄生電容充電,寄生電容的負端就有返回電流了。


圖9:耦合產生寄生電容的返回模型
為什么要講返回路徑

我們為什么要講返回路徑,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,是設計PCB特別是高速電路一定要考慮的,否則,就有串擾,反射,過沖,波形畸變等各種情況產生,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,這三個參數組成的就是導體截面,實際阻抗與導線截面積成反比。也就是說,特性阻抗是與導體截面積、導體到參考平面的距離和導體到參考平面間介質的介電常數有關的。


圖10:導線與參考面截面
我們在設計PCB板時,要設計好參考平面

我們在設計PCB板時,設計好參考平面,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。


圖11:四層板疊層

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,厚度加大到遠遠大于(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,太陽的質量和體積都比地球大得非常多,但對月球的影響遠遠不及地球,原因就是月亮到地球的距離遠遠小于到太陽的距離。所以大家在對待多層數復雜電路板的時候,找好一個參考層,讓其它層遠離這個信號層,讓指定的這個參考層為主影響,這時,我們設計的阻抗疊層模型就要簡單很多。


圖12:六層板疊層
參考層中間斷面或打孔過多造成隔斷怎么辦

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,都會嚴重影響信號傳輸質量。但很多時候為了成本考慮用合理的層數,信號要換層,參考面也可能是兩個電源平面,中間是分斷的,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:


圖13:信號線穿過兩個參考面

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,也使阻抗不連續變好一些。

上面講了一部分阻抗設計知識,當然這些知識是我們平常很少注意的地方,也從另一個側面來理解阻抗。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充,這些知識點很容易在書本上看到的,也要花很多功夫學習。

做PCB設計,把元件布好和連接好導線只算低層次。要想你設計的電路板可靠地工作,還有非常多的知識要補充學習,再靈活應用。。

簡單的設計方法,也可以讓你設計的高速PCB電路達到阻抗要求

你不想搞懂高深的理論知識,下面說一下簡單的設計方法,也可以讓你設計的高速PCB電路達到阻抗要求。你在設計PCB時,單端信號線走線寬度設置成一個寬度,差分(雙端)走線設置為另一寬度,電源線等過電流的線按電流要求又設置成其它寬度。根據經驗,如單端線寬設為5mil,差分的設為4.5mil,線間距都為5mil,當然還要考慮參考平面。這樣,你在發板要求里給生產廠家說明,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,生產廠家就會按你的要求給你計算生產成你要的阻抗要求了。當然,你做的線寬還是要先用阻抗計算軟件計算下,誤差大了,生產廠家給你調整不了的。

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整,他們可以改變線寬、線間距、介質材料、銅厚度、介質厚度等來滿足阻抗要求。在設計之前也要多和廠家溝通,調整設計元素,減少廠家的調整難度。

致遠產品從低速到高速,從單機產品到復雜產品,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習,下了很多心力,才在高速復雜電路上有所建樹。今天我們的高端儀器,有高速FPGA,高速DSP,DDR2/DDR3多內存組成的大系統,我們能使它穩定可靠的工作,全靠這些理論知識加實踐經驗結合。如我們做了氣體分析記錄儀器,單板用了22片DDR內存,我們PA系列功率分析儀,板卡內是DSP+FPGA組成的復雜系統,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知識,只有在相關知識上都了解情況下,再融合貫通,靈活應用,才能做出好的作品來。

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