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PCB阻抗原理知识及应用

时间:2015-02-07 12:28来源:致远电子 作者:ictest8 点击:

前言:

       我们做电子设计,遇到高速电路时会遇到很多问题,也会有很多新名词,比如:过冲,下冲,时延,阻抗,反射等,经过我的反复思考与研究,得到一些心得,跟大家一起分享。

       随着信号传送速度迅猛的提高和高频电路的广泛应用,对印刷电路板也提出了更高的要求。印刷电路板提供的电路性能必须能够使信号在传输过程中不发生反射现 象,信号保持完整,降低传输损耗,起到匹配阻抗的作用,这样才能得到完整、可靠、精确、无干扰、噪音低的传输信号。

       在高速数字电路的PCB设计上,我们设计的产品不管是用到DDR2,还是DDR3内存,不管是PCIE差分还是SATA传输,都用到了高速PCB设计技 术,而我们所设计的PCB用了阻抗控制技术后,基本上没有出现是PCB问题跑不通的情况。要理解高速信号的设计知识,先要从一些基础电子知识说起。

基础知识

       导体中的自由电子在电场的作用下定向移动形成电流。电流方向只是物理学中约定俗成的一个规定,物理上规定电流的方向是正电荷的定向移动的方向或者负电荷的定向移动的反方向。电流的速度不是电子运动速度,而是电场的速度。

 

图1:杂乱的自由电子

 

图2:定向移动的电子

 

电场的传播速度和阻抗没有直接关系,但它们都与导体周围的介质有关

       电信号的传播速度是与导体周围的介质介电常数有关的,电信号在真空中(指导体周围比较大的范围内都是真空)的传播速度是光速3*10^8 m/s,换算为30 cm/ns 。在其它的介质中,它的传输速度是不一样的,如果相对介电系数是 Er ,则传播速度为 30/Er^0.5。例如,在水中,水的相对介电系数是80,所以,传播速度约是真空中的1/9 ,即: 30/80^0.5 = 3.35 cm/ns。在PCB中,FR4的相对介电系数约为4,所以,传播速度是真空中的一半,即:30/4^0.5 = 15 cm/ns。

 

传输线的特征阻抗是什么

       传输线的特征阻抗,又称为特性阻抗,是我们在进行高速电路设计的时候经常会提到的一个概念。信号在传输线中传输的过程中,在信号到达的一个点,传输线和参 考平面之间会形成电场,由于电场的存在,会产生一个瞬间的小电流,这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压,这样在信号传输过程 中,传输线的每一点就会等效成一个电阻,这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。这里一定要区分一个概念,就是特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信 号)来说的,对于直流信号,传输线有一个直流阻抗,这个值可能会远小于传输线的特征阻抗。一旦传输线的特性确定了(线宽,与参考平面的距离等特性),那么 传输线的特征阻抗就确定了。一般的PCB走线特征阻抗计算公式:

Z0≈ (L/C)^0.5

       其中L是单位长度传输线的固有电感,C是单位长度传输线的固有电容。通过这个简单的计算公式我们能看出来,要改变传输线的特征阻抗就要改变单位长度传输线的固有电感和电容。

影响传输线特征阻抗的几个因素

根据以上公式,这样我们就能更好的理解影响传输线特征阻抗的几个因素:

a. 线宽与特征阻抗成反比。增加线宽相当于增大电容,也就减小了特征阻抗,反之亦然。

b. 介电常数与特征阻抗成反比。同样提高介电常数相当于增大电容。

c. 传输线到参考平面的距离与特征阻抗成正比。增加传输线与参考平面的距离相当于减小了电容,这样也就减小了特征阻抗,反之亦然。

d. 传输线的长度与特征阻抗没有关系。通过公式可以看出来L和C都是单位长度传输线的参数,与传输线的长度并没有关系。

e. 线径与特征阻抗成反比。由于高频信号的趋肤效应,影响较其他因素小。

 

图示理解信号传播

       下面再以图示的方法说明下,传输线是一个分布参数系统,它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容 C以及单位长度上的电阻、电导来表示,它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数,给定某一种 传输线,这些参数的值也就确定了,这些参数反映着传输线的内在因素,它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效 电路串联而成。

 

图3:传输线模型1

 

       在上图里,以t1时间段来说,电阻Ra1的阻值很小,电感L1也很小,电容C1也很小,电阻Rb1很大。电信号从低电平变高电平高电平,它不是整条导