PCB的阻抗控制.doc

1、PCB 的 阻 抗 控 制 与 前 端 仿 真发 表 于 2011/2/21 20:58:19 标 签 ： PCB 阻 抗 控 制 SI9000 http:/ 着 PCB 信 号 切 换 速 度 不 断 增 长 ， 当 今 的 PCB 设 计 厂 商 需 要 理 解 和 控 制 PCB 迹 线 的 阻 抗 。 相 应 于 现 代 数字 电 路 较 短 的 信 号 传 输 时 间 和 较 高 的 时 钟 速 率 ， PCB 迹 线 不 再 是 简 单 的 连 接 ， 而 是 传 输 线 。在 实 际 情 况 中 ， 需 要 在 数 字 边 际 速 度 高 于 1ns 或 模 拟 频 率 超 过

2、300Mhz 时 控 制 迹 线 阻 抗 。 PCB 迹 线 的 关键 参 数 之 一 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 ） 。 印 制 电 路 板 上 导 线 的 特 性 阻 抗 是 电 路 板 设 计 的一 个 重 要 指 标 ， 特 别 是 在 高 频 电 路 的 PCB 设 计 中 ， 必 须 考 虑 导 线 的 特 性 阻 抗 和 器 件 或 信 号 所 要 求 的 特 性 阻 抗 是 否 一 致， 是 否 匹 配 。 这 就 涉 及 到 两 个 概 念 ： 阻 抗 控 制 与 阻 抗 匹 配 ， 本 文 重

3、点 讨 论 阻 抗 控 制 和 叠 层 设 计 的 问 题 。阻 抗 控 制阻 抗 控 制 (eImpedance Controling)， 线 路 板 中 的 导 体 中 会 有 各 种 信 号 的 传 递 ， 为 提 高 其 传 输 速 率 而 必 须 提 高 其 频率 ， 线 路 本 身 若 因 蚀 刻 ， 叠 层 厚 度 ， 导 线 宽 度 等 不 同 因 素 ， 将 会 造 成 阻 抗 值 得 变 化 ， 使 其 信 号 失 真 。 故 在 高 速 线 路 板 上 的 导体 ， 其 阻 抗 值 应 控 制 在 某 一 范 围 之 内 ， 称 为 “阻 抗 控 制 ”。PCB 迹 线

4、的 阻 抗 将 由 其 感 应 和 电 容 性 电 感 、 电 阻 和 电 导 系 数 确 定 。 影 响 PCB 走 线 的 阻 抗 的 因 素 主 要 有 : 铜 线 的 宽 度 、 铜 线 的 厚 度 、 介 质 的 介 电 常 数 、 介 质 的 厚 度 、 焊 盘 的 厚 度 、 地 线 的 路 径 、 走 线 周 边 的 走 线 等 。 PCB 阻 抗 的 范 围 是 25 至 120 欧 姆 。在 实 际 情 况 下 ， PCB 传 输 线 路 通 常 由 一 个 导 线 迹 线 、 一 个 或 多 个 参 考 层 和 绝 缘 材 质 组 成 。 迹 线 和 板 层 构 成 了

5、控 制 阻抗 。 PCB 将 常 常 采 用 多 层 结 构 ， 并 且 控 制 阻 抗 也 可 以 采 用 各 种 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 或 预 填 材 质 的 高 度 迹 线 和 板 层 的 配 置 内 核 和 预 填 材 质 的 绝 缘 常 数PCB 传 输 线 主 要 有 两 种 形 式 ： 微 带 线 （ Microstrip） 与 带 状 线 （ Stripline） 。微

6、带 线 （ Microstrip） ：微 带 线 是 一 根 带 状 导 线 ， 指 只 有 一 边 存 在 参 考 平 面 的 传 输 线 ， 顶 部 和 侧 边 都 曝 置 于 空 气 中 （ 也 可 上 敷 涂 覆 层 ） ， 位 于 绝缘 常 数 Er 线 路 板 的 表 面 之 上 ， 以 电 源 或 接 地 层 为 参 考 。 如 下 图 所 示 ：注 意 ： 在 实 际 的 PCB 制 造 中 ， 板 厂 通 常 会 在 PCB 板 的 表 面 涂 覆 一 层 绿 油 ， 因 此 在 实 际 的 阻 抗 计 算 中 ， 通 常 对 于 表 面微 带 线 采 用 下 图 所 示 的

7、 模 型 进 行 计 算 ：带 状 线 （ Stripline） ：带 状 线 是 置 于 两 个 参 考 平 面 之 间 的 带 状 导 线 ， 如 下 图 所 示 ， H1 和 H2 代 表 的 电 介 质 的 介 电 常 数 可 以 不 同 。上 述 两 个 例 子 只 是 微 带 线 和 带 状 线 的 一 个 典 型 示 范 ， 具 体 的 微 带 线 和 带 状 线 有 很 多 种 ， 如 覆 膜 微 带 线 等 ， 都 是 跟 具 体 的PCB 的 叠 层 结 构 相 关 。用 于 计 算 特 性 阻 抗 的 等 式 需 要 复 杂 的 数 学 计 算 ， 通 常 使 用 场 求

8、 解 方 法 ， 其 中 包 括 边 界 元 素 分 析 在 内 ， 因 此 使 用 专 门 的 阻抗 计 算 软 件 SI9000， 我 们 所 需 做 的 就 是 控 制 特 性 阻 抗 的 参 数 ：绝 缘 层 的 介 电 常 数 Er、 走 线 宽 度 W1、 W2（ 梯 形 ） 、 走 线 厚 度 T 和 绝 缘 层 厚 度 H。对 于 W1、 W2 的 说 明 ：此 处 的 W=W1， W1=W2.规 则 ： W1=W-A W-设 计 线 宽 AEtch loss (见 上 表 )走 线 上 下 宽 度 不 一 致 的 原 因 是 ： PCB 板 制 造 过 程 中 是 从 上 到

9、 下 而 腐 蚀 ， 因 此 腐 蚀 出 来 的 线 呈 梯 形 。走 线 厚 度 T 与 该 层 的 铜 厚 有 对 应 关 系 ， 具 体 如 下 ：铜 厚 COPPER THICKNESS Base copper thk For inner layer For outer layer H OZ 0.6mil 1.8mil 1 OZ 1.2MIL 2.5MIL 2 OZ 2.4MIL 3.6MIL绿 油 厚 度 ： *因 绿 油 厚 度 对 阻 抗 影 响 较 小 ， 故 假 定 为 定 值 0.5mil。我 们 可 以 通 过 控 制 这 几 个 参 数 来 达 到 阻 抗 控 制 的

10、目 的 ， 下 面 以 安 维 的 底 板 PCB 为 例 说 明 阻 抗 控 制 的 步 骤 和 SI9000 的 使 用 ：底 板 PCB 的 叠 层 为 下 图 所 示 ：第 二 层 为 地 平 面 ， 第 五 层 为 电 源 平 面 ， 其 余 各 层 为 信 号 层 。各 层 的 层 厚 如 下 表 所 示 ：Layer Name Type Material Thinkness ClassSURFACE AIR TOP CONDUCTOR COPPER 0.5 OZ ROUTINGDIELECTRIC FR-4 3.800MIL L2-INNER CONDUCTOR COPPER 1

11、 OZ PLANEDIELECTRIC FR-4 5.910MIL L3-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ ROUTINGDIELECTRIC FR-4 33.O8MIL L4-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ ROUTINGDIELECTRIC FR-4 5.910MIL L5-INNER CONDUCTOR COPPER 1 OZ PLANEDIELECTRIC FR-4 3.800MIL BOTTOM CONDUCTOR COPPER 0.5 OZ ROUTINGSURFACE AIR 说 明 ： 中 间 各 层 间 的 电 介 质 为 FR-

12、4， 其 介 电 常 数 为 4.2； 顶 层 和 底 层 为 裸 层 ， 直 接 与 空 气 接 触 ， 空 气 的 介 电 常 数 为 1。需 要 进 行 阻 抗 控 制 的 信 号 为 ：DDR 的 数 据 线 ， 单 端 阻 抗 为 50 欧 姆 ， 走 线 层 为 TOP 和 L2、 L3 层 ， 走 线 宽 度 为 5mil。时 钟 信 号 CLK 和 USB 数 据 线 ， 差 分 阻 抗 控 制 在 100 欧 姆 ， 走 线 层 为 L2、 L3 层 ， 走 线 宽 度 为 6mil， 走 线 间 距 为6mil。对 于 计 算 精 度 的 说 明 :1、 对 于 单 端 阻

13、 抗 控 制 ， 计 算 值 等 于 客 户 要 求 值 ；2、 对 于 其 他 特 性 阻 抗 控 制 ：对 于 其 它 所 有 的 阻 抗 设 计 (包 括 差 别 和 特 性 阻 抗 ) *计 算 值 与 名 义 值 差 别 应 小 于 的 阻 抗 范 围 的 10%： 例 如 ： 客 户 要 求 ： 60+/-10%ohm 阻 抗 范 围 =上 限 66-下 限 54=12ohms 阻 抗 范 围 的 10%=12X10%=1.2ohms计 算 值 必 须 在 红 框 范 围 内 。 其 余 情 况 类 推 。下 面 利 用 SI9000 计 算 是 否 达 到 阻 抗 控 制 的 要

14、 求 ：首 先 计 算 DDR 数 据 线 的 单 端 阻 抗 控 制 ：TOP 层 ： 铜 厚 为 0.5OZ， 走 线 宽 度 为 5MIL， 距 参 考 平 面 的 距 离 为 3.8MIL， 介 电 常 数 为 4.2。 选 择 模 型 ， 代 入 参数 ， 选 择 lossless calculation,如 图 所 示 ：计 算 得 到 单 端 阻 抗 为 Zo=55.08ohm， 与 要 求 相 差 5 欧 姆 。 根 据 板 厂 的 反 馈 ， 他 们 将 走 线 宽 度 改 为 6MIL 以 达 到阻 抗 控 制 ， 经 过 验 证 ， 在 宽 度 W2=6MIL,W1=7M

15、IL 的 情 况 下 ， 计 算 得 到 的 单 端 阻 抗 为 Zo=50.56 欧 姆 ， 符 合 设 计要 求 。L2 层 ： 在 L2 层 的 走 线 模 型 如 下 图 所 示 ：代 入 参 数 进 行 计 算 得 到 如 下 图 所 示 ：计 算 得 到 单 端 阻 抗 为 Zo=50.59 欧 姆 ， 符 合 设 计 要 求 。同 理 可 以 得 到 L3 层 的 单 端 阻 抗 ， 在 此 不 再 赘 述 。下 面 计 算 差 分 阻 抗 控 制 ：由 PCB 设 计 可 知 ， 底 板 PCB 中 时 钟 走 线 在 L3 层 ， USB 数 据 线 在 L2 层 ， 走 线

16、 宽 度 均 为 6MIL,间 距 为 6MIL。时 钟 信 号 选 择 的 模 型 如 下 所 示 ：按 照 提 供 给 板 厂 的 数 据 计 算 得 到 的 结 果 如 下 图 所 示 ：根 据 板 厂 的 反 馈 ， 差 分 阻 抗 只 能 做 到 85 欧 姆 ， 与 计 算 结 果 接 近 （ 他 们 可 以 微 调 板 层 厚 度 ， 但 不 能 调 线 ） 。 但 是 改 变 线间 距 为 12MIL 时 ， 计 算 得 到 的 差 分 阻 抗 为 92.97 欧 姆 ， 再 将 线 宽 调 为 5MIL 时 ， 差 分 阻 抗 为 98.99 欧 姆 ， 基 本符 合 设 计

17、 要 求 。经 验 小 结1、 当 差 分 走 线 在 中 间 信 号 层 走 线 时 ， 差 分 阻 抗 的 控 制 比 较 困 难 ， 因 为 精 度 不 够 ， 就 是 说 改 变 介 质 层 厚 度 对 差 分 阻 抗 的 影 响 不大 ， 只 有 改 变 走 线 的 间 距 才 对 差 分 阻 抗 影 响 较 大 。 但 是 当 走 线 在 顶 层 或 底 层 时 ， 差 分 阻 抗 就 比 较 好 控 制 ， 很 容 易 达 到 设 计 要求 ， 通 过 实 际 计 算 发 现 ， 重 要 的 信 号 线 最 好 走 表 层 ， 容 易 进 行 阻 抗 控 制 ， 尤 其 是 时

18、钟 信 号 差 分 对 。2、 在 PCB 设 计 之 前 ， 首 先 必 须 通 过 阻 抗 计 算 ， 把 PCB 的 叠 层 参 数 确 定 ， 如 各 层 的 铜 厚 ， 介 质 层 的 厚 度 等 等 ， 还有 差 分 走 线 的 宽 度 和 间 距 都 需 要 事 先 计 算 得 出 ， 这 些 就 是 PCB 的 前 端 仿 真 ， 保 证 重 要 的 信 号 线 的 阻 抗 控 制 满 足 设 计要 求 。3、 关 于 介 电 常 数 Er 的 问 题 ：以 我 们 使 用 最 多 的 FR-4 介 质 的 材 料 板 为 例 ： 实 际 多 层 板 是 芯 板 和 压 合 树

19、 脂 层 堆 叠 而 成 ， 其 芯 板 本 身 也 是 由 半 固 化 片 组 合而 成 。 常 用 的 三 种 半 固 化 片 技 术 指 标 如 下 表 1 所 示 。半 固 化 片 组 合 的 介 电 常 数 不 是 简 单 的 算 术 平 均 ， 甚 至 在 构 成 微 带 线 和 带 状 线 时 的 Er 值 也 有 所 不 同 。 另 一 方 面 ， FR-4 的 Er 也 随 信 号 频 率 的 变 化 有 一 定 改 变 ， 不 过 在 1GHz 以 下 一 般 认 为 FR-4 材 料 的 Er 值 约 4.2。 通 常 计 算时 采 用 4.2。4、 在 实 际 的 阻

20、抗 控 制 中 ， 一 般 采 用 介 质 为 FR-4， 其 Er 约 4.2， 线 条 厚 度 t 对 阻 抗 影 响 较 小 ， 实 际 主 要 可 以 调 整 的是 H 和 W， W(设 计 线 宽 )一 般 情 况 下 是 由 设 计 人 员 决 定 的 ， 但 在 设 计 时 应 充 分 考 虑 线 宽 对 阻 抗 的 配 合 性 和 实 际 加 工 精 度 。当 然 ， 采 用 较 小 的 W 值 后 线 条 厚 度 t 的 影 响 就 不 容 忽 视 了 。 H(介 质 层 厚 度 )对 阻 抗 控 制 的 影 响 最 大 ， 实 际 H 有 两 类 情 况 ： 一 种 是 芯

21、 板 ， 材 料 供 应 商 所 提 供 的 板 材 中 H 的 厚 度 也 是 由 以 上 三 种 半 固 化 片 组 合 而 成 ， 但 其 在 组 合 的 过程 中 必 然 会 考 虑 三 种 材 料 的 特 性 ， 而 绝 非 无 条 件 的 任 意 组 合 ， 因 此 板 材 的 厚 度 就 有 了 一 定 的 规 定 ， 形 成 了 一 个 相 应 的 清 单 ，同 时 H 也 有 了 一 定 的 限 制 。 如 0.17mm 1/1 的 芯 板 为 2116 1， 0.4mm 1/1 的 芯 板 为 10802+76281 等 。另 一 种 是 多 层 板 中 压 合 部 分 的

22、 厚 度 ： 其 方 法 基 本 上 与 前 相 同 但 需 注 意 铜 层 的 损 失 。 如 内 电 层 间 用 半 固 化 片 进 行 填 充 ， 因 在 制作 内 层 的 过 程 中 铜 箔 被 蚀 刻 掉 的 部 分 很 少 ， 则 半 固 化 片 中 树 脂 对 该 区 的 填 充 亦 很 少 ， 则 半 固 化 片 的 厚 度 损 失 可 忽 略 。 反 之 ，如 信 号 层 之 间 用 半 固 化 片 进 行 填 充 ， 由 于 铜 箔 被 蚀 刻 掉 的 部 分 较 多 ， 则 半 固 化 片 的 厚 度 损 失 会 很 大 且 难 以 估 计 。 因 此 ， 有 人建 议

23、在 内 层 的 信 号 层 要 求 铺 铜 以 减 少 厚 度 损 失 。 （ 上 述 资 料 来 源 于 ： P C B 高 速 数 字 设 计 中 的 阻 抗 控 制 （ 西 南 电子 电 信 技 术 研 究 所 陈 飞 ） ）5、 特 征 阻 抗 与 传 输 线 的 宽 度 是 成 反 比 的 ,宽 度 越 宽 ， 阻 抗 越 低 ,反 之 则 阻 抗 更 高 。6、 在 有 些 板 的 设 计 要 求 中 对 板 层 厚 度 有 限 制 时 ， 此 时 要 达 到 比 较 好 的 阻 抗 控 制 ， 采 用 好 的 叠 层 设 计 非 常 关 键 。 从 实 际 的 计 算中 可 以

24、得 出 以 下 结 论 ：a. 每 个 信 号 层 都 要 有 参 考 平 面 相 邻 , 能 保 证 其 阻 抗 和 信 号 质 量 ; b. 每 个 电 源 层 都 要 有 完 整 的 地 平 面 相 邻 , 使 得 电 源 的 性 能 得 以 较 好 的 保 证 ;7、 关 于 差 分 走 线 的 线 宽 和 间 距 对 阻 抗 控 制 的 讨 论 ：通 过 软 件 计 算 发 现 ， 改 变 差 分 对 的 间 距 对 阻 抗 控 制 的 影 响 较 大 ， 但 是 这 里 涉 及 到 另 一 个 问 题 ， 就 是 差 分 对 的 耦 合 问 题 。差 分 对 耦 合 的 主 要 目

25、 的 是 增 强 对 外 界 的 抗 干 扰 能 力 和 抑 止 EMI。 耦 合 分 为 紧 耦 合 方 式 ( 即 差 分 对 线 间 距 小 于 或 等于 线 宽 ) 和 松 耦 合 方 式 。 如 果 能 保 证 周 围 所 有 的 走 线 离 差 分 对 较 远 （ 比 如 远 远 大 于 3 倍 的 线 宽 ） ， 那 么 差 分 走 线 可 以 不 用 保 证 紧 密 的 耦 合 ，最 关 键 的 是 保 证 走 线 长 度 相 等 即 可 。 （ 可 以 参 见 Johnson 的 信 号 完 整 性 网 站 上 的 关 于 差 分 走 线 的 阐 述 ， 他 就 要 求 他的

26、 layout 工 程 师 将 差 分 线 离 得 较 远 ， 这 样 可 以 方 面 绕 线 ） 。 只 是 目 前 大 多 数 多 层 高 速 的 PCB 板 走 线 空 间 很 紧密 ， 根 本 无 法 将 差 分 走 线 和 其 它 走 线 隔 离 开 来 ， 所 以 这 时 候 保 持 紧 密 的 耦 合 以 增 加 抗 干 扰 能 力 是 应 该 的 。紧 耦 合 不 是 差 分 走 线 的 必 要 条 件 ， 但 是 在 空 间 不 够 时 走 线 采 用 紧 耦 合 方 式 能 够 增 强 差 分 走 线 的 抗 干 扰 能 力 。 因 此 ， 对 于 差 分对 的 阻 抗 控

27、 制 问 题 ， 怎 么 调 节 各 个 参 数 需 要 综 合 考 虑 上 述 因 素 ， 择 优 选 择 。 一 般 情 况 下 不 轻 易 调 整 差 分 对 的 间 距 和线 宽 。延 伸 ： 差 分 对 走 线 的 PCB 要 求（ 1） 确 定 走 线 模 式 、 参 数 及 阻 抗 计 算 。 差 分 对 走 线 分 外 层 微 带 线 差 分 模 式 和 内 层 带 状 线 差 分 模 式 两 种 ， 通 过 合 理 设 置 参 数 ，阻 抗 可 利 用 相 关 阻 抗 计 算 软 件 (如 POLAR-SI9000)计 算 也 可 利 用 阻 抗 计 算 公 式 计 算 。（

28、 2） 走 平 行 等 距 线 。 确 定 走 线 线 宽 及 间 距 ， 在 走 线 时 要 严 格 按 照 计 算 出 的 线 宽 和 间 距 ， 两 线 间 距 要 一 直 保 持 不 变 ， 也 就 是 要保 持 平 行 。 平 行 的 方 式 有 两 种 ： 一 种 为 两 条 线 走 在 同 一 线 层 (side-by-side)， 另 一 种 为 两 条 线 走 在 上 下 相 两 层(over-under)。 一 般 尽 量 避 免 使 用 后 者 即 层 间 差 分 信 号 ， 因 为 在 PCB 板 的 实 际 加 工 过 程 中 ， 由 于 层 叠 之 间 的 层 压

29、对准 精 度 大 大 低 于 同 层 蚀 刻 精 度 ， 以 及 层 压 过 程 中 的 介 质 流 失 ， 不 能 保 证 差 分 线 的 间 距 等 于 层 间 介 质 厚 度 ， 会 造 成 层 间 差 分 对的 差 分 阻 抗 变 化 。 困 此 建 议 尽 量 使 用 同 层 内 的 差 分 。（ 3） .紧 耦 合 原 则 。在 计 算 线 宽 和 间 距 时 最 好 遵 守 紧 耦 合 的 原 则 ， 也 就 是 差 分 对 线 间 距 小 于 或 等 于 线 宽 。 当 两 条 差 分 信 号 线 距 离 很 近 时 ， 电 流 传输 方 向 相 反 ， 其 磁 场 相 互 抵

30、 消 ， 电 场 相 互 耦 合 ， 电 磁 辐 射 也 要 小 得 多 。（ 4） .走 短 线 、 直 线 。为 确 保 信 号 的 质 量 ， 差 分 对 走 线 应 该 尽 可 能 地 短 而 直 ， 减 少 布 线 中 的 过 孔 数 ， 避 免 差 分 对 布 线 太 长 ， 出 现 太 多 的 拐 弯 ， 拐 弯处 尽 量 用 45或 弧 线 ， 避 免 90拐 弯 。（ 5） .不 同 差 分 线 对 间 处 理 。差 分 对 对 走 线 方 式 的 选 择 没 有 限 制 ， 微 带 线 和 带 状 线 均 可 ， 但 是 必 须 注 意 要 有 良 好 的 参 考 平 面

31、。 对 不 同 差 分 线 之 间 的 间 距 要求 间 隔 不 能 太 小 ， 至 少 应 大 于 3 5 倍 差 分 线 间 距 。 必 要 时 在 不 同 差 分 线 对 之 间 加 地 孔 隔 离 以 防 止 相 互 问 的 串 扰 。（ 6） .远 离 其 它 信 号 。 对 差 分 对 信 号 和 其 它 信 号 比 如 TTL 信 号 ， 最 好 使 用 不 同 的 走 线 层 ， 如 果 因 为 设 计 限 制 必 须 使 用 同 一 层 走 线 ， 差 分 对和 TTL 的 距 离 应 该 足 够 远 ， 至 少 应 该 大 于 35 倍 差 分 线 间 距 。（ 7） .差

32、 分 信 号 不 可 以 跨 平 面 分 割 。尽 管 两 根 差 分 信 号 互 为 回 流 路 径 ， 跨 分 割 不 会 割 断 信 号 的 回 流 ， 但 是 跨 分 割 部 分 的 传 输 线 会 因 为 缺 少 参 考 平 面 而 导 致 阻 抗 的不 连 续 (如 图 箭 头 处 所 示 ， 其 中 GND1、 GND2 为 LVDS 相 邻 的 地 平 面 )。8、 PADS LAYOUT 中 层 定 义 选 项 卡 各 个 参 数 的 解 释 说 明 ：coating 表 示 涂 覆 层 ， 如 果 没 有 涂 覆 层 ， 就 在 thickness 中 填 0,dielectric（ 介 电 常 数 ） 填 1（ 空 气 ） 。