PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制
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1、電阻
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/171489.htm交流電流流過(guò)一個(gè)導體時(shí)，所受到的阻力稱(chēng)為阻抗 （Impedance），符合為Z，單位還是Ω。
此時(shí)的阻力同直流電流所遇到的阻力有差別，除了電阻 的阻力以外，還有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力問(wèn)題。
為區別直流電的電阻，將交流電所遇到之阻力稱(chēng)為阻抗 （Z）。
Z=radic; R2 +（XL -XC）2
2、阻抗（Z）
近年來(lái)，IC集成度的提高和應用，其信號傳輸頻率和速 度越來(lái)越高，因而在印制板導線(xiàn)中，信號傳輸（發(fā)射）高到 某一定值后，便會(huì )受到印制板導線(xiàn)本身的影響，從而導致傳 輸信號的嚴重失真或完全喪失。這表明，PCB導線(xiàn)所“流通”的“東西”并不是電流，而是 方波訊號或脈沖在能量上的傳輸。
上述此種“訊號”傳輸時(shí)所受到的阻力，另稱(chēng)為“特性阻 抗”，代表符號為Z0。
所以，PCB導線(xiàn)上單解決“通”、“斷”和“短路”的問(wèn)題還 不夠，還要控制導線(xiàn)的特性阻抗問(wèn)題。就是說(shuō)，高速傳輸、高頻訊號傳輸的傳輸線(xiàn)，在質(zhì)量上 要比傳輸導線(xiàn)嚴格得多。不再是“開(kāi)路/短路”測試過(guò)關(guān)，或者 缺口、毛刺未超過(guò)線(xiàn)寬的20%，就能接收。必須要求測定特性阻抗值，這個(gè)阻抗也要控制在公差以 內，否則，只有報廢，不得返工。
二、訊號傳播與傳輸線(xiàn)
1、信號傳輸線(xiàn)定義
（1）根據電磁波的原理，波長(cháng)（λ）越短，頻率（f）越 高。兩者的乘積為光速。即C = λ.f ＝3×1010 cm/s
（2）任何元器件，盡管具有很高的信號傳輸頻率，但經(jīng) 過(guò)PCB導線(xiàn)傳輸后，原來(lái)很高的傳輸頻率將降下來(lái)，或時(shí)間 延遲了。
因此，導線(xiàn)長(cháng)度越短越好。
（3）提高PCB布線(xiàn)密度或縮短導線(xiàn)尺寸是有利的。但是，隨著(zhù)元件頻率的加快，或脈沖周期的縮短，導線(xiàn) 長(cháng)度接近信號波長(cháng)（速度）的某一范圍，此時(shí)元件在PCB導 線(xiàn)傳輸時(shí)，便會(huì )出現明顯的“失真”。
（4）IPC－2141的3.4.4提出：當信號在導線(xiàn)中傳輸時(shí)，如果導線(xiàn)長(cháng)度接近信號波長(cháng) 的1/7時(shí)，此時(shí)的導線(xiàn)被視為信號傳輸線(xiàn)。
（5）舉例：
某元件信號傳輸頻率（f）為10MHZ ，PCB上導線(xiàn)長(cháng)度為50cm，是否應考慮特 性阻抗控制？
解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s
λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）＝3000cm
導線(xiàn)長(cháng)度/信號波長(cháng)＝50/3000＝1/60
因為：1/60《1/7，所以此導線(xiàn)為普通導線(xiàn)，不必考慮特性阻抗問(wèn)題。
在電磁波理論中，馬克斯威爾公式告訴我們：正弦波信 號在介質(zhì)中的傳播速度VS 與光速C成正比，而與傳輸介質(zhì)的 介電常數成反比。
VS ＝C/√εr
當εr ＝1時(shí)，信號傳輸達到了光的傳播速度，即3 ×1010 cm/s 。
2、傳輸速率與介電常數
不同板材在30MHZ 下的信號傳輸速度
介質(zhì)材料 Tg（ °C ） 介電常數 信號傳輸速度（m/?s）
真空 / 1.0 300.00
聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
熱固性聚丙醚 210 2.5 189.74
氰酸酯樹(shù)脂 225 3.0 173.21
聚四氟乙烯樹(shù)脂＋E玻璃布 / 2.6 186.25
氰酸酯樹(shù)脂＋玻璃布 225 3.7 155.96
聚酰亞胺＋玻璃布 230 4.5 141.42
石英 / 3.9 151.98
環(huán)氧樹(shù)脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
鋁 / 9.0 100.00
由上表可見(jiàn)，隨著(zhù)介電常數（ εr ）的增加，信號在介 質(zhì)材料中的傳輸速度減小。要獲得高的信號傳輸速度，需采用高的特性阻抗值；高的特性阻抗，必須選用低的介電常數（εr ）材料；聚四氟乙烯（Teflon）的介電常數（εr ）最小，傳輸速 度最快。
FR-4板材，是由環(huán)氧樹(shù)脂和E級玻璃布聯(lián)合組成，介電 常數（εr ）為4.7。信號傳輸速度為138m/μs。改變樹(shù)脂體系，可較易改變介電常數（εr ）。
三、特性阻抗值控制緣由
1、緣由一
電子設備（電腦、通信機）操作時(shí)，驅動(dòng)元件（Driver） 所發(fā)出的信號，將通過(guò)PCB傳輸線(xiàn)到達接收元件 （Receiver）。信號在印制板的信號線(xiàn)中傳輸時(shí)，其特性阻抗值Z0 必須 與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配，信號中的“能量”才會(huì )得 到完整的傳輸。
2、緣由二
一旦出現印制板質(zhì)量不良，Z0 超出公差時(shí)，所傳的信號 會(huì )出現反射（Reflection）、散失（Dissipation）、衰減 （Attenuation）或延誤（Delay）等問(wèn)題，嚴重時(shí)會(huì )傳錯信 號，死機。
3、緣由三
嚴格選擇板材和控制生產(chǎn)流程，多層板上的Z0 才能符合 客戶(hù)所要求的規格。元件的電子阻抗越高時(shí)，其傳輸速度才會(huì )越快，因而 PCB的Z0 也要隨之提高，方能達到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板，才算得上是高速或高頻訊號所要求的 合格品。
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