PCB設計過(guò)程中如何考慮阻抗控制和疊層設計？

（以下文字均從網(wǎng)絡(luò )轉載，歡迎大家補充，指正。）
隨著(zhù) PCB 信號切換速度不斷增長(cháng)，當今的 PCB 設計廠(chǎng)商需要理解和控制 PCB 跡線(xiàn)的阻抗。相應于現代數字電路較短的信號傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率，PCB 跡線(xiàn)不再是簡(jiǎn)單的連接，而是傳輸線(xiàn)。

在實(shí)際情況中，需要在數字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過(guò)300Mhz時(shí)控制跡線(xiàn)阻抗。PCB 跡線(xiàn)的關(guān)鍵參數之一是其特性阻抗（即波沿信號傳輸線(xiàn)路傳送時(shí)電壓與電流的比值）。印制電路板上導線(xiàn)的特性阻抗是電路板設計的一個(gè)重要指標，特別是在高頻電 路的PCB設計中，必須考慮導線(xiàn)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(gè)概念：阻抗控制與阻抗匹配，本文重點(diǎn)討論阻抗控制和疊層設計的問(wèn)題。

阻抗控制

阻抗控制（eImpedance Controling），線(xiàn)路板中的導體中會(huì )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(xiàn)路本身若因蝕刻，疊層厚度，導線(xiàn)寬度等不同因素，將會(huì )造成阻抗值得變化，使其信號失真。故在高速線(xiàn)路板上的導體，其阻抗值應控制在某一范圍之內，稱(chēng)為“阻抗控制”。

PCB 跡線(xiàn)的阻抗將由其感應和電容性電感、電阻和電導系數確定。影響PCB走線(xiàn)的阻抗的因素主要有： 銅線(xiàn)的寬度、銅線(xiàn)的厚度、介質(zhì)的介電常數、介質(zhì)的厚度、焊盤(pán)的厚度、地線(xiàn)的路徑、走線(xiàn)周邊的走線(xiàn)等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。

在實(shí)際情況下，PCB 傳輸線(xiàn)路通常由一個(gè)導線(xiàn)跡線(xiàn)、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線(xiàn)和板層構成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結構，并且控制阻抗也可以采用各種方式來(lái)構建。但是，無(wú)論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結構和絕緣材料的電子特性決定：

信號跡線(xiàn)的寬度和厚度

跡線(xiàn)兩側的內核或預填材質(zhì)的高度

跡線(xiàn)和板層的配置

內核和預填材質(zhì)的絕緣常數

PCB傳輸線(xiàn)主要有兩種形式：微帶線(xiàn)（Microstrip）與帶狀線(xiàn)（Stripline）。

微帶線(xiàn)（Microstrip）：

微帶線(xiàn)是一根帶狀導線(xiàn)，指只有一邊存在參考平面的傳輸線(xiàn)，頂部和側邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數 Er 線(xiàn)路板的表面之上，以電源或接地層為參考。


帶狀線(xiàn)（Stripline）：

帶狀線(xiàn)是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導線(xiàn)，電介質(zhì)的介電常數可以不同。具體的微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)有很多種，如覆膜微帶線(xiàn)等，都是跟具體的PCB的疊層結構相關(guān)。

用于計算特性阻抗的等式需要復雜的數學(xué)計算，通常使用場(chǎng)求解方法，其中包括邊界元素分析在內，因此使用專(zhuān)門(mén)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：

絕緣層的介電常數Er、走線(xiàn)寬度W1、W2（梯形）、走線(xiàn)厚度T和絕緣層厚度H。

對于W1、W2的說(shuō)明：

計算值必須在紅框范圍內。其余情況類(lèi)推。

下面利用SI9000計算是否達到阻抗控制的要求：

首先計算DDR數據線(xiàn)的單端阻抗控制：

TOP層：銅厚為0.5OZ，走線(xiàn)寬度為5MIL，距參考平面的距離為3.8MIL，介電常數為4.2。選擇模型，代入參數，選擇lossless calculation，如圖所示：

coating表示涂覆層，如果沒(méi)有涂覆層，就在thickness 中填0，dielectric（介電常數）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(guò)阻抗計算軟件計算得到，介電常數為4.2（頻率小于1GHz時(shí)）。

點(diǎn)擊Weight（oz）項，可以設定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線(xiàn)的厚度。

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(shù)脂組成，core其實(shí)也是PP類(lèi)型介質(zhì)，只不過(guò)他的兩面都覆有銅箔，而PP沒(méi)有，制作多層板時(shí)，通常將CORE和PP配合使用，CORE與CORE之間用PP粘合。

10、PCB疊層設計中的注意事項：

（1）、翹曲問(wèn)題

PCB的疊層設計要保持對稱(chēng)，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對稱(chēng)，拿六層板來(lái)說(shuō)，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(shí)候不會(huì )出現翹曲。

（2）、信號層應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?。?；電源敷銅和地敷銅應該緊密耦合。

（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來(lái)隔離信號層，但建議不要多家電源層來(lái)隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。

（4）、層的排布一般原則：

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(xiàn)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；

主電源盡可能與其對應地相鄰；

兼顧層壓結構對稱(chēng)。

對于母板的層排布，現有母板很難控制平行長(cháng)距離布線(xiàn)，對于板級工作頻率在50MHZ 以上的

（50MHZ 以下的情況可參照，適當放寬），建議排布原則：

元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；

無(wú)相鄰平行布線(xiàn)層；

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。