阻抗控制在高速线路板设计中扮演着举足轻重的角色,其核心在于确保信号在导体中的传输效率和质量。由于线路板的导体中会传递各类信号,为了提升传输速率,必须提高信号的频率。然而,线路本身若因蚀刻工艺、叠层厚度、导线宽度等多种因素的差异,将导致阻抗值发生变化,从而引发信号失真。因此,对于高速线路板上的导体而言,将其阻抗值严格控制在特定范围内是至关重要的,这一过程即称为“阻抗控制”。
PCB迹线的阻抗由其感应性和电容性电感、电阻以及电导系数共同决定。这些参数受到多重因素的影响,主要包括铜线的宽度和厚度、介质的介电常数和厚度、焊盘的厚度、地线的路径以及走线周边的布局等。在实际工程应用中,PCB的阻抗范围通常被设定为25至120欧姆,以保证信号的稳定传输和电路性能的优化。
在实际应用中,印刷电路板(PCB)的传输线通常由一个导电迹线、至少一个参考平面以及绝缘介质构成。这些组件共同作用以形成特定的阻抗值。PCB常采用多层设计,且其阻抗可以通过多种方式实现。阻抗的具体数值取决于传输线的物理尺寸与所用绝缘材料的电气属性。
信号路径的宽度及其厚度
位于信号路径两侧的内层或填充物的厚度
信号路径与参考平面之间的配置
内层和填充材料的介电常数
PCB传输线路主要存在两种类型:微带线(Microstrip)及带状线(Stripline)。微带线特指一种在PCB的一面上布置的信号线,其下方有一层接地平面作为返回路径;而带状线则是夹在两层或多层导体之间的信号线,通常用于更复杂的多层板设计中以减少电磁干扰并提高信号完整性。
微带线,作为一种传输线结构,其特征在于仅一侧存在参考平面,而顶部及侧边暴露于空气中(或可能覆盖有涂层)。该线路位于具有绝缘常数Er的电路板表面之上,并以电源层或接地层作为其参考。
对于W1和W2的解释:计算值必须在指定的范围内,其他情形同理。
接下来,我们将使用SI9000工具来验证是否满足阻抗控制的要求:
我们计算DDR数据线的单端阻抗控制:
在TOP层,铜厚度为0.5OZ,走线宽度为5MIL,距离参考平面3.8MIL,介电常数为4.2。选择适当的模型并输入参数,进行无损耗计算(losslesscalculation)。
以上步骤确保了阻抗控制在要求的范围内,从而保证了信号传输的稳定性和可靠性。
coating指涂覆层,未涂覆时在thickness中记录为0,dielectric(介电常数)应填写1(空气)。
substrate即基板层,通常指电介质层,常用材料为FR-4。其厚度通过阻抗计算软件确定,当频率小于1GHz时,介电常数为4.2。
选择Weight(oz)项可设置铺铜的厚度,这直接影响走线的厚度。
Prepreg/Core的概念如下:PP(prepreg)是一种由玻璃纤维和环氧树脂组成的介质材料。而core实际上也是一种PP型介质,但其两面都覆有铜箔。在制作多层板时,通常将CORE与PP结合使用,CORE之间通过PP粘合。
在PCB叠层设计过程中,必须遵循一系列专业标准来确保电路板的质量和性能。以下是两个关键考虑因素:
确保信号完整性:信号层应与其邻近的参考平面紧密耦合,即信号层与相邻敷铜层之间的介质厚度要尽可能小,以减少信号干扰并提高信号传输的稳定性。此外,电源敷铜和地敷铜之间也应该是紧密耦合的,这有助于降低电源噪声并优化电气性能。
在高速电路设计的上下文中,为了优化信号完整性和减少电磁干扰(EMI),建议采用特定的层叠策略。以下是一些关键原则:
当设计要求高速信号传输时,可以通过添加额外的地层面来隔离信号层,从而提高信号的完整性并减少串扰现象。然而,应谨慎使用多个电源平面作为隔离手段,因为这种做法可能会引入不必要的噪声,从而影响系统性能。
层叠设计的一般性指导原则包括:
将元件面下方的第一层设置为地平面,这样做可以为器件提供屏蔽效果,并为顶层的信号走线提供一个稳定的参考面。
尽量使所有信号层紧邻地平面,这有助于信号回流路径最短化,减少辐射干扰。
避免两个信号层直接相邻,以降低层间信号的相互影响。
主电源层应尽可能地与其对应的地层相邻布置,这样做可以有效减小电源回路的阻抗,提高电源的稳定性。
考虑到整体结构的对称性和平衡性,以确保PCB板的机械稳定性和电气性能。
针对母板的设计,特别是对于工作频率超过50MHz的应用场合,控制长距离平行布线变得尤为困难。因此,需要通过精心设计层叠结构来管理这些挑战,确保信号传输的质量不受损害。
在设计50MHz以下频率的电路板时,应遵循以下原则以确保电磁兼容性和信号完整性:
元件面与焊接面应保持完整的地平面作为屏蔽层。
避免信号层之间存在相邻的平行布线,以减少电磁干扰。
确保所有信号层尽可能靠近地平面,这有助于提供返回路径并降低串扰。
对于关键信号,应保证其紧邻地层且不跨越分割区域,从而增强抗干扰能力。