SI-01-PCB特性阻抗

发表于 更新于 分类于 / 阅读次数： 本文字数： 1.1k 阅读时长 ≈ 4 分钟

本博客记录PCB阻抗与叠层设计的参考思路。

特性阻抗

特性阻抗为高频信号在均匀传输线上的等效阻抗。信号线在传输信号时会与参考平面（地平面、电源平面）建立电场产生瞬间电流，由电压电流V/I得等效阻值Z0，具体取决于介电常数ε0与每单位长度的电容CL。 对于非均匀传输线，称为“瞬时阻抗”，而非特征阻抗。对一条线宽变化的传输线，瞬时阻抗没有意义。线宽不变时，信号传输时的阻抗就是固定的，但PCB上的铜线也有厚度，比如常见的1oz、0.5oz铜厚，所以更准确的说法是横截面不变时，阻抗是固定的（一般同一层的铜厚一致，所以可以说线宽影响阻抗）。

而根据产生电场的条件，传输介质介电常数ε0不变的情况下，信号传输线与参考平面的距离d越近/面积（线宽）S越大，等效电容（寄生电容）C越大，进而等效阻抗Z0越小。 C = ε0 * S/d

根据上式也能得出结论，对于电源/地两个参考平面，其截面大阻抗低（约1Ω），对于带状线与微带线线宽窄阻抗高（约60-90Ω）。

特征阻抗的影响因素包括线宽、铜厚、板厚、层数、基板材料、表面工艺，可根据实际的阻抗设计值、阻抗公差计算线宽线距。介质越厚、线距越大阻抗越大；介电常数、铜厚、线宽、阻焊厚度越大阻抗越小。

  • 介电常数

    对FR-4，介电常数为3.9-4.5；

    对聚四氟乙烯，介电常数为2.2-3.9；

  • 阻焊厚度

    刷绿油/黑油（阻焊）一次使单端阻抗降低2Ω，差分阻抗降低8Ω。两次时翻倍，三次时不再变化。

阻抗计算

传输线就像水管，水管粗细突变时水流会被阻拦。同样，一根传输线上阻抗突变意味着信号会发生反射，进而产生噪声干扰正常信号。

做阻抗的目的就是减少信号反射点，降低传输损耗。一般在设计fclock>100MHz的高速电路时就需要做阻抗。

可使用嘉立创阻抗计算或者SI9000输入参数进行线宽线距计算。以嘉立创为例，计算时需要区分单端/差分阻抗与共面单端/共面差分阻抗。

  • 单端阻抗：单根信号线与参考平面之间的阻抗

  • 差分阻抗：差分线对间、与相邻参考层间的耦合阻抗。

  • 共面单端阻抗：单根信号线与参考平面间（尽量完整参考地）、以及与同层两侧地铜皮的耦合阻抗。

    image can't load. 共面单端阻抗

  • 共面差分阻抗：差分信号线现对间、与参考平面间（尽量完整参考地）、与同层两侧地铜皮的的耦合阻抗。共面差分则与之类似。

共面地是为了抑制串扰、增加回流路径。对于多层板，可利用单端阻抗和差分阻抗计算设计，但是对于以下情况，通常需要使用共面单端与共面差分：

  • 两层板。板厚过大，根据公式限制较小阻抗时线宽较大(可能达到100mil)，而且两层板通常没有完整的参考地。
  • 射频天线
  • 高速信号

常用接口

  • RS232:可不做（低频高压摆特性）
  • LVDS：100Ω差分
  • CAN：100Ω差分
  • USB：90Ω差分
  • SATA：90Ω差分
  • Ethernet:CAN：100Ω差分

参考资料

  1. 传输线的物理基础（四）：传输线的特征阻抗-CSDN博客
  2. 嘉立创阻抗计算
  3. 如何理解共面差分阻抗，共面单端阻抗？有哪些影响因素？如何用嘉立创阻抗计算神器计算阻抗值？哔哩哔哩
  4. 差分走线有5个常见误区，你是否出现？ - 知乎
  5. 常用通信阻抗要求 | WwWangGuan

————————— End —————————

“没有调查，没有发言权。”–毛泽东《反对本本主义》