PCB設(shè)計過程中如何考慮阻抗控制和疊層設(shè)計？
隨著 PCB 信號切換速度不斷增長，當(dāng)今的 PCB 設(shè)計廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號傳輸時間和較高的時鐘速率，PCB 跡線不再是簡單的連接，而是傳輸線。6 [+ n4 @% G8 M: t* Z
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阻抗控制* F4 W) {) w" y, J/ P
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阻抗控制（eImpedance Controling），線路板中的導(dǎo)體中會有各種信號的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻，疊層厚度，導(dǎo)線寬度等不同因素，將會造成阻抗值得變化，使其信號失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱為“阻抗控制”。
PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有： 銅線的寬度、銅線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。* N6 ^' A+ o6 l& b
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在實際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個導(dǎo)線跡線、一個或多個參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(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構(gòu)建。但是，無論使用什么方式，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：
信號跡線的寬度和厚度
跡線兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度
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跡線和板層的配置
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內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)
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PCB傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。, ^/ s: _; t- K& M
微帶線（Microstrip）：& b( [9 H9 b M" q: i
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微帶線是一根帶狀導(dǎo)線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，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 線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。( b1 `0 @7 X3 Q! n$ m, b
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帶狀線（Stripline）：
帶狀線是置于兩個參考平面之間的帶狀導(dǎo)線，電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。具體的微帶線和帶狀線有很多種，如覆膜微帶線等，都是跟具體的PCB的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。& g" _4 E; s4 V6 f) c
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用于計算特性阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，通常使用場求解方法，其中包括邊界元素分析在內(nèi)，因此使用專門的阻抗計算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數(shù)：
對于W1、W2的說明：' ]4 t- _% K( ^/ ]9 E9 Z- m
計算值必須在紅框范圍內(nèi)。其余情況類推。
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下面利用SI9000計算是否達到阻抗控制的要求：$ z4 w6 e6 y& d# A, ~. k" Y3 L2 z4 `
首先計算DDR數(shù)據(jù)線的單端阻抗控制：
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TOP層：銅厚為0.5OZ，走線寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數(shù)為4.2。選擇模型，代入?yún)?shù)，選擇lossless calculation，如圖所示：
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coating表示涂覆層，如果沒有涂覆層，就在thickness 中填0，dielectric（介電常數(shù)）填1（空氣）。
substrate表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用FR-4，厚度是通過阻抗計算軟件計算得到，介電常數(shù)為4.2（頻率小于1GHz時）。
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點擊Weight（oz）項，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。6 O+ H* |* E' t5 p x$ P, G6 ]
9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：
PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂組成，core其實也是PP類型介質(zhì)，只不過他的兩面都覆有銅箔，而PP沒有，制作多層板時，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。' l6 L( D0 Z' p) y
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10、PCB疊層設(shè)計中的注意事項：
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（1）、翹曲問題/ l/ L6 c; D( C) T1 j+ X' K2 M
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PCB的疊層設(shè)計要保持對稱，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對稱，拿六層板來說，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時候不會出現(xiàn)翹曲。$ ]0 R4 E C* V+ v; y* ]% b
（2）、信號層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號層和鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。
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（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號層，但建議不要多家電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。/ K% R6 r: G/ V7 _2 `
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（4）、層的排布一般原則：+ f% J+ m8 l7 d1 ?5 \
元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；
所有信號層盡可能與地平面相鄰；
盡量避免兩信號層直接相鄰；8 q @& b0 M3 R2 C( c! H
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主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰；
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兼顧層壓結(jié)構(gòu)對稱。
對于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長距離布線，對于板級工作頻率在50MHZ 以上的
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（50MHZ 以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：* u0 G/ _. E! K3 |
元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；
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無相鄰平行布線層；, @# W3 H5 C1 e( ~( t
所有信號層盡可能與地平面相鄰；
關(guān)鍵信號與地層相鄰，不跨分割區(qū)。
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在實際情況中，需要在數(shù)字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過300Mhz時控制跡線阻抗。PCB 跡線的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗（即波沿信號傳輸線路傳送時電壓與電流的比值）。印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計的一個重要指標(biāo)，特別是在高頻電 路的PCB設(shè)計中，必須考慮導(dǎo)線的特性阻抗和器件或信號所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。這就涉及到兩個概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點討論阻抗控制和疊層設(shè)計的問題。
阻抗控制* F4 W) {) w" y, J/ P
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阻抗控制（eImpedance Controling），線路板中的導(dǎo)體中會有各種信號的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻，疊層厚度，導(dǎo)線寬度等不同因素，將會造成阻抗值得變化，使其信號失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱為“阻抗控制”。
PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有： 銅線的寬度、銅線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。* N6 ^' A+ o6 l& b
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在實際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個導(dǎo)線跡線、一個或多個參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(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構(gòu)建。但是，無論使用什么方式，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：
信號跡線的寬度和厚度
跡線兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度
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跡線和板層的配置
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內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)
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PCB傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。, ^/ s: _; t- K& M
微帶線（Microstrip）：& b( [9 H9 b M" q: i
" w4 ~+ ?1 _7 B
微帶線是一根帶狀導(dǎo)線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，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 線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。( b1 `0 @7 X3 Q! n$ m, b
! B$ j9 l" ^$ Z& D2 y- x' I
帶狀線（Stripline）：
帶狀線是置于兩個參考平面之間的帶狀導(dǎo)線，電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。具體的微帶線和帶狀線有很多種，如覆膜微帶線等，都是跟具體的PCB的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。& g" _4 E; s4 V6 f) c
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用于計算特性阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，通常使用場求解方法，其中包括邊界元素分析在內(nèi)，因此使用專門的阻抗計算軟件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、走線寬度W1、W2（梯形）、走線厚度T和絕緣層厚度H。8 v
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計算值必須在紅框范圍內(nèi)。其余情況類推。
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TOP層：銅厚為0.5OZ，走線寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數(shù)為4.2。選擇模型，代入?yún)?shù)，選擇lossless calculation，如圖所示：
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coating表示涂覆層，如果沒有涂覆層，就在thickness 中填0，dielectric（介電常數(shù)）填1（空氣）。
substrate表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用FR-4，厚度是通過阻抗計算軟件計算得到，介電常數(shù)為4.2（頻率小于1GHz時）。
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點擊Weight（oz）項，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。6 O+ H* |* E' t5 p x$ P, G6 ]
9、絕緣層的Prepreg/Core的概念：
PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂組成，core其實也是PP類型介質(zhì)，只不過他的兩面都覆有銅箔，而PP沒有，制作多層板時，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。' l6 L( D0 Z' p) y
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10、PCB疊層設(shè)計中的注意事項：
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（1）、翹曲問題/ l/ L6 c; D( C) T1 j+ X' K2 M
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PCB的疊層設(shè)計要保持對稱，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對稱，拿六層板來說，就是TOP-GND與BOTTOM-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致，GND-L2與L3-POWER的介質(zhì)厚度和銅厚一致。這樣在層壓的時候不會出現(xiàn)翹曲。$ ]0 R4 E C* V+ v; y* ]% b
（2）、信號層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號層和鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很小）；電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。
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（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號層，但建議不要多家電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。/ K% R6 r: G/ V7 _2 `
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（4）、層的排布一般原則：+ f% J+ m8 l7 d1 ?5 \
元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；
所有信號層盡可能與地平面相鄰；
盡量避免兩信號層直接相鄰；8 q @& b0 M3 R2 C( c! H
0 y! c) W* A( S
主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰；
1 c4 e0 O# a6 \5 V
兼顧層壓結(jié)構(gòu)對稱。
對于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長距離布線，對于板級工作頻率在50MHZ 以上的
* D( Y9 O8 Y% c+ R( ~
（50MHZ 以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：* u0 G/ _. E! K3 |
元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；
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無相鄰平行布線層；, @# W3 H5 C1 e( ~( t
所有信號層盡可能與地平面相鄰；
關(guān)鍵信號與地層相鄰，不跨分割區(qū)。
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