高速PCB的特征阻抗怎樣來(lái)設(shè)計(jì)

我們?cè)诟咚?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)當(dāng)中，經(jīng)常對(duì)高速信號(hào)線做特征阻抗控制來(lái)優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量。那特征阻抗是什么東西呢？

1.傳輸線原理

介紹特征阻抗之前，我們復(fù)習(xí)下《信號(hào)完整性視頻》介紹的傳輸線基本原理。如下圖左邊是低頻電路采用集總參數(shù)的RLGC模型，右邊高頻電路采用分布參數(shù)的RLGC模型。

求解傳輸線微積分方程對(duì)你們來(lái)說(shuō)都是輕輕松松的事情，這里同樣不介紹。方程的結(jié)果是我們可以得到PCB傳輸線的衰減常數(shù)，特征阻抗，相移常數(shù)等。具體含義的在《信號(hào)完整性視頻》有詳細(xì)介紹。我們這里主要介紹PCB特征阻抗的應(yīng)用。下面就是求解方程得到的特征阻抗的公式，但用處不大，因?yàn)槟銦o(wú)法知道單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的R,L,G,C。

2.特征阻抗不匹配的影響

傳輸線的特征阻抗是指高速信號(hào)在PCB線上傳輸時(shí)，在線上每個(gè)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的阻抗。我們希望傳輸線特征阻抗不要突變，因?yàn)橥蛔兊牡膫鬏斁€會(huì)造成信號(hào)的反射，從而影響了信號(hào)質(zhì)量。

3.特征阻抗的選值

PCB特征阻抗阻值是由負(fù)載端匹配電阻ZL決定，具體要看各種接口的規(guī)范定義。特征阻抗誤差主要是由PCB板廠工藝影響，一般能控制在5%-10%。下面是常見(jiàn)的接口PCB阻抗控制。

USB差分線90Ω

PCIE差分線100Ω

RF單端傳輸線50Ω

普通單端傳輸線 50Ω

4.PCB特征阻抗設(shè)計(jì)

目前PCB生產(chǎn)廠家經(jīng)常使用polar si9000軟件來(lái)計(jì)算特征阻抗。下面以單端信號(hào)線為例。設(shè)置參數(shù)有4個(gè)：介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬和銅箔厚度。

介電常數(shù)Er1：板材的介電常數(shù)，一般FR4板材4.2-4.5。

介質(zhì)厚度H1：板材或PP的厚度。

線寬W1/W2：PCB布線的線寬。

銅箔厚度：根據(jù)實(shí)際情況，有0.5/1/2 OZ等。

從上面50Ω單端信號(hào)線的例子計(jì)算大家應(yīng)該清楚可以知道，為什么2層板的信號(hào)線很難做50Ω阻抗匹配？

5.特征阻抗OK就OK了嗎？

通過(guò)上面的原理介紹和軟件操作，大家基本上能輕輕松松設(shè)計(jì)出特征阻抗匹配的PCB。

但大家回顧下《PCIE 3.0仿真視頻》的例子，評(píng)估傳輸鏈路的關(guān)鍵指標(biāo)主要有S11和S21。特征阻抗匹配只保證了S11。而對(duì)于長(zhǎng)距離，GHZ以上的PCB布線，S21的影響更重要。所以在保證特征阻抗的同時(shí)，讓S21也滿足要求，才能說(shuō)明你的PCB設(shè)計(jì)是OK的。