阻抗板 (Impedance board)

阻抗板 图


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一种好的叠层结构就能够起到对印制电路板特性阻抗的控制,其走线可形成易控制和可预测的传输线结构叫做阻抗板


 目录 

  1. 阻抗板阻抗特性

  2. 阻抗板特性阻抗的计算

  3. 阻抗板特性阻抗控制

  4. 阻抗板阻抗控制

  5. 阻抗板阻抗匹配

  6. 特性阻抗

  7. 阻抗匹配


 1  阻抗板阻抗特性


据信号的传输理论,信号是时间、距离变量的函数,因此信号在连线上的每一部分都有可能变化。因此确定连线的交流阻抗,即电压的变化和电流的变化之比为传输线的特性阻抗(Characteristic Impedance):传输线的特性阻抗只与信号连线本身的特性相关。在实际电路中,导线本身电阻值小于系统的分布阻抗,尤其阻抗板是高频电路中,特性阻抗主要取决于连线的单位分布电容和单位分布电感带来的分布阻抗。理想传输线的特性阻抗只取决于连线的单位分布电容和单位分布电感。


 2  阻抗板特性阻抗的计算


信号的上升沿时间和信号传输到接收端所需时间的比例关系,决定了信号连线是否被看作是传输线。具体的比例关系由下面的公式可以说明:如果PCB板上导线连线长度大于l/b就可以将信号之间的连接导线看作是传输线。由信号等效阻抗计算公式可知,传输线的阻抗可以用下面的公式表示:在高频(几十兆赫到几百兆赫)情况下满足wL>>R(当然在信号频率大于109Hz的范围内,则考虑到信号的集肤效应,需要仔细地研究这种关系)。那么对于确定的传输线而言,其特性阻抗为一个常数。信号的反射现象就是因为信号的驱动端和传输线的特性阻抗以及接收端的阻抗不一致所造成的。对于CMOS电路而言,信号的驱动端的输出阻抗比较小,为几十欧。而接收端的输入阻抗就比较大。


 3  阻抗板特性阻抗控制


印制电路板上导线的特性阻抗是电路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。因此,在PCB设计的可靠性设计中有两个概念是必须注意的。


 4  阻抗板阻抗控制


线路板中的导体中会有各种信号传递,当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、导线宽度等因素不同,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”。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。所以在设计PCB时一定要对板上走线的阻抗进行控制,才能尽可能避免信号的反射以及其他电磁干扰和信号完整性问题,保证PCB板的实际使用的稳定性。PCB板上微带线和带状线阻抗的计算方法可参照相应的经验公式。


 5  阻抗板阻抗匹配


在线路板中,若有信号传送时,希望由电源的发出端起,在能量损失最小的情形下,能顺利的传送到接受端,而且接受端将其完全吸收而不作任何反射。要达到这种传输,线路中的阻抗必须和发出端内部的阻抗相等才行称为“阻抗匹配”。在设计高速PCB电路时,阻抗匹配是设计的要素之一。而阻抗值与走线方式有绝对的关系。例如,是走在表面层(Microstrip)还是内层(Stripline/Double Stripline)、与参考的电源层或地层的距离、走线宽度、PCB材质等均会影响走线的特性阻抗值。也就是说,要在布线后才能确定阻抗值,同时不同PCB生产厂家生产出来的特性阻抗也有微小的差别。一般仿真软件会因线路模型或所使用的数学算法的限制而无法考虑到一些阻抗不连续的布线情况,这时候在原理图上只能预留一些端接(Temninators),如串联电阻等,来缓和走线阻抗不连续的效应。真正根本解决问题的方法还是布线时尽量注意避免阻抗不连续的发生。


 6  特性阻抗


特性阻抗的定义:在某一频率下,电子器件传输信号线中,相对某一参考层,其高频信号或电磁波在传播过程中所受的阻力称之为特性阻抗,它是电阻抗,电感抗,电容抗……的一个矢量总和。


特性阻抗的分类:

目前常见的特性阻抗分为:单端(线)阻抗、差分(动)阻抗、共面阻抗等。

单端(线)阻抗:英文single ended impedance ,指单根信号线测得的阻抗 。

差分(动)阻抗:英文differential impedance,指差分驱动时在两条等宽等间距的传输线中测试到的阻抗。

共面阻抗:英文coplanar impedance ,指信号线在其周围GND/VCC(信号线到其两侧GND/VCC间距相等)之间传输时所测试到的阻抗。


阻抗控制需求的决定条件:当信号在PCB导线中传输时,若导线的长度接近信号波长的1/7,此时的导线便成为信号传输线,一般信号传输线均需做阻抗控制。PCB制作时,依客户要求决定是否需管控阻抗,若客户要求某一线宽需做阻抗控制,生产时则需管控该线宽的阻抗。


 7  阻抗匹配


当信号在PCB上传输时,PCB板的特性阻抗必须与头尾元件的电子阻抗相匹配,一旦阻抗值超出公差,所传出的信号能量将出现反射、散射、衰减或延误等现象,从而导致信号不完整,信号失真。


阻抗匹配的三个要素:输出阻抗(原始主动零件) 特性阻抗(信号线) 输入阻抗(被动零件)(PCB板)


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。  


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