特征阻抗的計算與控制(共22頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目錄目錄精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)摘要摘要：本文首先介紹了特征阻抗的基本概念和意義；其次闡述了影響特征阻抗的主要因素；接著介紹了如何進行特征阻抗的計算與控制；最后是對此研究的經(jīng)驗總結(jié)。關(guān)關(guān)鍵詞鍵詞： ：特征阻抗、概念、計算、總結(jié)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)Abstract:：This paper first introduces the basic concepts and the significance of characteristic impedance; secondly describes the effect

2、s of main factors of characteristic impedance; then introduced how to characteristic impedance calculation and control; the last is the summary of experiences in this study.Key words: characteristic impedance, concept, calculation, summary精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)前言前言隨著 PCB 信號切換速度不斷加快，當(dāng)今的 PCB 設(shè)計者需要理解和控制

3、 PCB 跡線的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號傳輸時間和較高的時鐘速率，PCB 跡線不再是簡單的連接，而是傳輸線。 在實際情況中，需要在數(shù)字邊際速度高于 1ns 或模擬頻率超過 300Mhz 時控制跡線阻抗。PCB 跡線的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗（即波沿信號傳輸線路傳送時電壓與電流的比值）。印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計的一個重要指標(biāo)，特別是在高頻電路的 PCB 設(shè)計中，必須考慮導(dǎo)線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。因為特征阻抗在傳輸中是否保持一致將影響到信號的完整性從而導(dǎo)致信號的失真，由此可見對信號的特征阻抗控制已變得極為重要。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專

4、心-專注-專業(yè)第一章第一章 特征阻抗的基本概念特征阻抗的基本概念1.1 特征阻抗的定義特征阻抗的定義特征阻抗，又稱為特性阻抗，它是在甚高頻、超高頻范圍的概念1。那什么是特征阻抗呢？在信號的傳輸過程中，在信號沿到達的地方，信號線和參考平面（參考平面指的是電源平面或者是地平面）之間由于電場的建立，就會產(chǎn)生一個瞬間的電流，如果傳輸線是各向同性的，那么只要信號在傳輸，就會始終存在一個電流 I，而如果信號的輸出電平為 V，則在信號傳輸過程中傳輸線就會等效成一個電阻，大小為 V/I，我們把這個等效的電阻稱為傳輸線的特征阻抗（Characteristic Impedance）Z.1.2 特征阻抗定義的解析特

5、征阻抗定義的解析首先，必須明白特征阻抗跟線的阻抗的區(qū)別，特征阻抗屬于傳輸線的概念，指的是傳輸線上點的阻抗，而線的阻抗（一般稱為電阻）是對與直流而言的；其次傳輸線又分為微帶線和帶狀線，微帶線是指只有一個參考平面的傳輸線，帶狀線是指有兩個參考平面的傳輸線；最后特征阻抗是對交流信號而言，對直流信號來說傳輸線的電阻并不是 Z，而是遠遠小于這個值（也就是所說的直流電阻） 。1.3 特征阻抗的意義特征阻抗的意義信號在傳輸?shù)倪^程中，如果傳輸線上的特征阻抗發(fā)生變化，信號就會在阻抗不連續(xù)的結(jié)點上產(chǎn)生反射，后果就是 EMI（電磁干擾）有問題，信號不完整。 精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第二章第二章 特

6、征阻抗的計算與控制特征阻抗的計算與控制2.1 阻抗控制的定義阻抗控制的定義阻抗控制(eImpedance Controling)，線路板中的導(dǎo)體中會有各種信號的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻、疊層厚度、導(dǎo)線寬度等不同因素的變化，將會造成阻抗值的變化，使其信號失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱為“阻抗控制”。2.2 影響影響 PCB 跡線阻抗的因素跡線阻抗的因素PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響 PCB 走線的阻抗的因素主要有: 銅線的寬度、銅線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周

7、邊的走線等，如圖 2.1 所示。PCB 阻抗的范圍是 25 至 120 歐姆。圖 2.1H1:介質(zhì)厚度(PP片或者板材,不包括銅厚)Er1:PP片的介電常數(shù)W1:阻抗線下線寬W2:阻抗線上線寬(W2=W1-1MIL)S1:阻抗線間距G1:地線下線寬G2:地線上線寬D1:阻抗線到地的距離T1:成品銅厚C1:基材的綠油厚度精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)C2:銅皮或走線上的綠油厚度C3:基材上面的綠油厚度Cer:綠油的介電常數(shù)在實際情況下，PCB 傳輸線路通常由一個導(dǎo)線跡線、一個或多個參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結(jié)構(gòu)，并且控制阻抗也可以采用各種方

8、式來構(gòu)建2。但是，無論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定：信號跡線的寬度和厚度跡線兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度跡線和板層的配置內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)2.3 PCB 傳輸線的主要形式傳輸線的主要形式PCB 傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。微帶線（Microstrip）： 微帶線是一根帶狀導(dǎo)線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，頂部和側(cè)邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數(shù) Er 線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。如 2.2 圖所示：圖 2.2注意：在實際的 PCB 制造中，板廠通常會在 PCB 板的表面涂

9、覆一層綠油，因此在實際的阻抗計算中，通常對于表面微帶線采用圖 2.3 所示的模型進行計算：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2.3帶狀線（Stripline）：帶狀線是置于兩個參考平面之間的帶狀導(dǎo)線，如圖 2.4 所示，H1 和 H2 代表的電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。圖 2.4 上述兩個例子只是微帶線和帶狀線的一個典型示范，具體的微帶線和帶狀線有很多種，如覆膜微帶線等，都是跟具體的 PCB 的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。2.4 特征阻抗的計算特征阻抗的計算用于計算特特征阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，因此使用專門的阻抗計算軟件SI9000，我們所需做的就是控制特性阻抗的參數(shù)：絕緣層的介電常數(shù) Er

10、、走線寬度 W1、W2（梯形） 、走線厚度 T 和絕緣層厚度 H。對于 W1、W2 的說明：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2.5ABase copper thkFor inner layerFor outer layerH OZ0.5MIL0.8MIL1 OZ1.0MIL1.2MIL2 OZ1.5MIL1.6MIL表 2.1此處的 W=W1，W1=W2.規(guī)則：W1=W-A W-設(shè)計線寬 AEtch loss (見表 2.1)（通常情況下取 1mil 就可以了）走線上下寬度不一致的原因是：PCB 板制造過程中是從上到下而腐蝕，因此腐蝕出來的線呈梯形。 走線厚度 T 與該層的銅厚有

11、對應(yīng)關(guān)系，具體如下：銅厚 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（一般信號層的成品銅厚：外層 1OZ=1.4mil，而內(nèi)層考慮蝕刻的因素，我們通常認為內(nèi)層 1OZ=1.2mil，而 0.5OZ=0.6mil。 ）綠油厚度： 因綠油厚度對阻抗影響較小，故假定為定值 1mil。我們可以通過控制這幾個參數(shù)來達到阻抗控制的目的，下面以我們公司常用的底板 PCB 為例說明阻抗控制的步驟和 SI9000

12、的使用：如下圖 2.6 是四層板的層疊結(jié)構(gòu)：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2.6從制板廠提供的板材數(shù)據(jù)可以得到如下計算參數(shù)：板材 FR-4， 板厚 1.6mm+/-10%， 銅厚 1 OZ（1.4mil） 半固化片(PP) 2116(4.0-5.0mil)，介電常數(shù) 4.2 阻焊油厚度 0.60.2mil，介電常數(shù) 3.5+/-0.3我們以 USB 信號為例進行計算，USB 信號線的特性差分阻抗為 90+/-10% ohm .對于計算精度的說明:1、對于單端阻抗控制，計算值等于客戶要求值；2、對于其他特性阻抗控制：對于其它所有的阻抗設(shè)計(包括差別和特性阻抗) 計算值與名義值差別

13、應(yīng)小于阻抗范圍的 10%： 例如：客戶要求：60+/-10%ohm 阻抗范圍=上限 66-下限 54=12ohms 阻抗范圍的 10%=12X10%=1.2ohms圖 2.7如圖 2.7 所示，計算值必須在黑框范圍內(nèi) 58.8-61.2ohm。其余情況類推。所以 USB 信號線的計算值須在 88.2-91.8ohm 之間，而 USB 信號線是以差分包地的方式走線的，且與中間一層做為參考面，所以選用如圖 2.8 包地差分的模塊來進行計算：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2.8H1:介質(zhì)厚度(PP片或者板材,不包括銅厚)Er1:PP片的介電常數(shù)W1:阻抗線下線寬W2:阻抗線上線寬(W

14、2=W1-1MIL)S1:阻抗線間距D1:阻抗線到地的距離G1:地線下線寬G2:地線上線寬T1:成品銅厚C1:基材的綠油厚度C2:銅皮或走線上的綠油厚度C3:基材上面的綠油厚度Cer:綠油的介電常數(shù)Zo:信號線的特征阻抗值利用所知的數(shù)據(jù)可以計算出如上圖 USB 信號走線的數(shù)據(jù)：線寬、間距 6/6/6mil差分信號與屏蔽地線距離 18mil(符合 3W 準(zhǔn)則)。同理，雙面板與四層板都是用微帶線傳輸方式計算的。對于六層及六層板以上的內(nèi)層則采用帶狀線傳輸方式計算。2.52.5 常用的幾種計算模塊常用的幾種計算模塊 下面介紹幾種常用到的計算模塊：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)模塊一： 模塊

15、一用在雙面板和四層板中計算傳輸線的單端阻抗模塊二 模塊二用在雙面板和四層板中計算傳輸線的差分阻抗精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)模塊三 模塊三用在雙面板和四層板中計算單端包地的傳輸線阻抗模塊四模塊四用在雙面板和四層板中計算差分包地的傳輸線阻抗精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)模塊五模塊五用在六層及六層板以上的內(nèi)層傳輸線的單端阻抗，同理其他的多層板內(nèi)層都是用帶狀線模塊來計算的。第三章第三章 研究總結(jié)研究總結(jié)3.13.1 差分線阻抗的控制差分線阻抗的控制當(dāng)差分走線在中間信號層走線時，差分阻抗的控制比較困難，因為精度不夠，就是說改變介質(zhì)層厚度對差分阻抗的影響不大，只有改變走線的間距

16、才對差分阻抗影響較大。但是當(dāng)走線在頂層或底層時，差分阻抗就比較好控制，很容易達到設(shè)計要求，通過實際計算發(fā)現(xiàn)，重要的信號線最好走表層，容易進行阻抗控制，尤其是時鐘信號差分對3。3.2 PCB 設(shè)計前的準(zhǔn)備工作設(shè)計前的準(zhǔn)備工作在 PCB 設(shè)計之前，首先必須通過阻抗計算，把 PCB 的疊層參數(shù)確定，如各層的銅厚，介質(zhì)層的厚度等等，還有差分走線的寬度和間距都需要事先計算得出，這些就是PCB 的前端仿真，保證重要的信號線的阻抗控制滿足設(shè)計要求。3.3 關(guān)于介電常數(shù)關(guān)于介電常數(shù) Er 的問題的問題精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)1、以我們使用最多的 FR-4 介質(zhì)的材料板為例：實際多層板是芯板和

17、壓合樹脂層堆疊而成，其芯板本身也是由半固化片組合而成。常用的三種半固化片技術(shù)指標(biāo)如表 3.1 所示。半固化片編號Er(f=1GHZ)h(mm)10803.60.07521164.20.10576284.50.175表 3.1半固化片組合的介電常數(shù)不是簡單的算術(shù)平均，甚至在構(gòu)成微帶線和帶狀線時的Er 值也有所不同。另一方面，F(xiàn)R-4 的 Er 也隨信號頻率的變化有一定改變，不過在1GHz 以下一般認為 FR-4 材料的 Er 值約 4.2。通常計算時采用 4.2。當(dāng)我們計算層疊結(jié)構(gòu)時候通常需要把幾張 PP 疊在一起,例如:2116+106,其厚度為0.15MM,即 6MIL;1080*2+762

18、8,其厚度為 0.31MM,即 12.2MIL 等.但需注意以下幾點:1,一般不允許 4 張或 4 張以上 PP 疊放在一起,因為壓合時容易產(chǎn)生滑板現(xiàn)象.2,7628 的PP 一般不允許放在外層,因為 7628 表面比較粗糙,會影響板子的外觀.3,另外 3 張 1080也不允許放在外層,因為壓合時也容易產(chǎn)生滑板現(xiàn)象.2、在實際的阻抗控制中，一般采用介質(zhì)為 FR-4，其 Er 約 4.2，線條厚度 t 對阻抗影響較小，實際主要可以調(diào)整的是 H 和 W，W(設(shè)計線寬)一般情況下是由設(shè)計人員決定的，但在設(shè)計時應(yīng)充分考慮線寬對阻抗的配合性和實際加工精度。當(dāng)然，采用較小的 W 值后線條厚度 t 的影響就

19、不容忽視了。H(介質(zhì)層厚度)對阻抗控制的影響最大，實際 H 有兩類情況：一種是芯板，材料供應(yīng)商所提供的板材中 H 的厚度也是由以上三種半固化片組合而成，但其在組合的過程中必然會考慮三種材料的特性，而絕非無條件的任意組合，因此板材的厚度就有了一定的規(guī)定，形成了一個相應(yīng)的清單，同時 H 也有了一定的限制。如 0.17mm 1/1 的芯板為 2116 1，0.4mm 1/1 的芯板為 10802+76281 等。另一種是多層板中壓合部分的厚度：其方法基本上與前相同但需注意銅層的損失。如內(nèi)電層間用半固化片進行填充，因在制作內(nèi)層的過程中銅箔被蝕刻掉的部分很少，則半固化片中樹脂對該區(qū)的填充亦很少，則半固化

20、片的厚度損失可忽略。反之，如信號層之間用半固化片進行填充，由于銅箔被蝕刻掉的部分較多，則半固化片的厚度損失會很大且難以估計。因此，有人建議在內(nèi)層的信號層要求鋪銅以減少厚度損失。3、特征阻抗與傳輸線的寬度是成反比的,寬度越寬，阻抗越低,反之則阻抗更高。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第四章第四章 PCBPCB 的疊層設(shè)計和制作工藝流程（擴展）的疊層設(shè)計和制作工藝流程（擴展）4.14.1 PCBPCB 的疊層設(shè)計的疊層設(shè)計1、在有些板的設(shè)計要求中對板層厚度有限制時，此時要達到比較好的阻抗控制，采用好的疊層設(shè)計非常關(guān)鍵。從實際的計算中可以得出以下結(jié)論：a. 每個信號層都要有參考平面相鄰,

21、能保證其阻抗和信號質(zhì)量; b. 每個電源層都要有完整的地平面相鄰, 使得電源的性能得以較好的保證;2、PADS LAYOUT 中層定義選項卡各個參數(shù)的解釋說明：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 4.1如圖 4.1 所示，coating 表示涂覆層，如果沒有涂覆層，就在 thickness 中填0,dielectric（介電常數(shù)）填 1（空氣）。substrate 表示基板層，即電介質(zhì)層，一般采用 FR-4，厚度是通過阻抗計算軟件計算得到，介電常數(shù)為 4.2（頻率小于 1GHz 時）。點擊 Weight(oz)項，可以設(shè)定鋪銅的銅厚，銅厚決定了走線的厚度。3、絕緣層的 Prepreg

22、/Core 的概念：PP（prepreg）是種介質(zhì)材料，由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂組成，core 其實也是 PP 類型介質(zhì)，只不過他的兩面都覆有銅箔，而 PP 沒有，制作多層板時，通常將 CORE 和 PP配合使用，CORE 與 CORE 之間用 PP 粘合。4、PCB 疊層設(shè)計中的注意事項：（1）、翹曲問題PCB 的疊層設(shè)計要保持對稱，即各層的介質(zhì)層厚、鋪銅厚度上下對稱，拿六層板來說，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。這樣在層壓的時候不會出現(xiàn)翹曲。（2）、信號層應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合（即信號層和

23、鄰近敷銅層之間的介質(zhì)厚度要很?。浑娫捶筱~和地敷銅應(yīng)該緊密耦合。（3）、在很高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號層，但建議不要多家電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。（4）、典型的疊層設(shè)計層分布如表 4.1 所示：層數(shù)1234567891011124SGNDPWRS4GNDSSPWR6SSGNDPWRSS6SGNDSSPWRS6SPWRGNDSGNDS8SGNDSGNDPWRSGNDS精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)8SSGNDSSPWRSS10SGNDSSGNDPWRSSGNDS10SSPWRGNDSSGNDPWRSS12SGNDSSPWRSSPWRSSGNDS12S

24、GNDSPWRSPWRSGNDSSPWRS常用多層 PCB 疊層設(shè)計配置 表 4.14.24.2 PCBPCB 制作工藝流程制作工藝流程1、單面板工藝流程 開料鉆孔印線路全板鍍金蝕刻檢驗印阻焊噴錫印字符成形成品檢查過松香包裝2、雙面板噴錫板工藝流程 開料鉆孔沉銅加厚圖形轉(zhuǎn)移電銅電錫蝕刻退錫檢驗印阻焊印字符噴錫成形測試成品檢查包裝3、雙面板鍍鎳金工藝流程 開料鉆孔沉銅加厚圖形轉(zhuǎn)移鍍鎳、金去膜蝕刻二次鉆孔檢驗絲印阻焊絲印字符成形測試檢驗4、多層板噴錫板工藝流程 開料鉆定位孔內(nèi)層圖形內(nèi)層蝕刻檢驗黑化層壓鉆孔沉銅加厚圖形轉(zhuǎn)移(外層)鍍錫、蝕刻退錫二次鉆孔檢驗印阻焊印字符噴錫成形測試成品檢查包裝5、多層

25、板鍍鎳金工藝流程 開料鉆定位孔內(nèi)層圖形內(nèi)層蝕刻檢驗黑化層壓鉆孔沉銅加厚圖形轉(zhuǎn)移(外層)鍍金、去膜蝕刻二次鉆孔檢驗絲印阻焊絲印字符成形測試成品檢查包裝6、多層板沉鎳金板工藝流程 開料鉆定位孔內(nèi)層圖形內(nèi)層蝕刻檢驗黑化層壓鉆孔沉銅加厚圖形轉(zhuǎn)移(外層)鍍錫、蝕刻退錫二次鉆孔檢驗絲印阻焊化學(xué)沉鎳金絲印字符成形測試成品檢查包裝4.34.3 重要流程的詳解重要流程的詳解1、開料目的：根據(jù)工程資料 MI 的要求，在符合要求的大張板材上，裁切成小塊生產(chǎn)板件符合客戶要求的小塊板料。流程：大板料按 MI 要求切板鋦板啤圓角、磨邊出板2、鉆孔目的：根據(jù)工程資料（客戶資料） ，在所開符合要求尺寸的板料上，相應(yīng)的位置鉆出

26、所求的孔徑。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)流程：疊板銷釘上板鉆孔下板檢查、修理3、沉銅目的：沉銅是利用化學(xué)方法在絕緣孔壁上沉積上一層薄銅流程：粗磨掛板沉銅自動線下板浸 1%稀 H2SO4加厚銅4、圖形轉(zhuǎn)移目的：圖形轉(zhuǎn)移是生產(chǎn)菲林上的圖像轉(zhuǎn)移到板上流程：（藍油流程）：磨板印第一面烘干印第二面烘干爆光沖影檢查；（干膜流程）：麻板壓膜靜置對位曝光靜置沖影檢查5、圖形電鍍目的：圖形電鍍是在線路圖形裸露的銅皮上或孔壁上電鍍一層達到要求厚度的銅層與要求厚度的金鎳或錫層流程：上板除油水洗二次微蝕水洗酸洗鍍銅水洗浸酸鍍錫水洗下板。6、退膜目的：用 NaOH 溶液退去抗電鍍覆蓋膜層使非線路銅層裸露出來流程：水膜：插架浸堿沖洗擦洗過機；干膜：放板過機7、蝕刻目的：蝕刻是利用化學(xué)反應(yīng)法將非線路部位的銅層腐蝕去8、綠油目的：綠油是將綠油菲林的圖形轉(zhuǎn)移到板上，起到保護線路和阻止焊接零件時線路上錫的作用。流程：磨板印感光綠油鋦板曝光沖影；磨板印第一面烘板印第二面烘板。9、字符目的：字符是提供的一種便于辯認的標(biāo)記流程：綠油終鋦后冷卻靜置調(diào)網(wǎng)印字符后鋦10、鍍金手指目的：在插頭手指上鍍上一層