电路板阻抗原理知识及应用

前言：我们做电子设计，遇到高速电路会遇到很多问题，有很多新名词。 比如，过冲、下冲、延迟、阻抗、反射等，反复进行我的思考和研究，得到一些知识，和大家分享。随着信号传输速度的急剧提高和高频电路的广泛应用，对印刷电路板也提出了很高的要求。 印刷电路板所提供的电路性能可以防止信号在传输中引起反射现象，信号完全，降低传输损耗，发挥匹配阻抗，获得完全、可靠性、准确且无噪声的传输信号。在高速数字电路的PCB设计中，我们设计的产品在DDR2、DDR3存储器、PCIE差分、SATA传输中都使用高速PCB设计技术，而我们设计的PCB在使用阻抗控制技术后，很少在PCB问题上运行。 理解高速信号的设计知识，首先要从几个基础电子知识开始。基础知识导体中的自由电子通过电场取向移动形成电流。 电流的方向在物理学上只是约定俗成的一个规定，物理上电流的方向是正电荷的取向移动的方向或负电荷的取向移动的相反方向。 电流的速度不是电子运动速度，而是电场的速度。图1. PA6000功率分析仪的电磁干扰度测量现场图2 :定向移动电子电场的传播速度和阻抗虽然没有直接关系，但与导体周围的介质有关电信号的传播速度与导体周围的介电常数有关，电信号在真空中(在导体周围的较大范围内为真空)的传播速度为光速3*108 m/s，换算为30 cm/ns。 其他媒体的传输速度不同，若相对介电常数为Er，则传播速度为30/Er0.5。 例如，在水中，水的相对介电常数为80，因此传播速度为真空中的约1/9，即30/800.5=3.35 cm/ns。 在PCB中，FR4的相对介电常数约为4，因此传播速度为真空中的一半，即30/40.5=15 cm/ns。传输线的特性阻抗是什么传输线的特征阻抗也被称为特性阻抗，是在进行高速电路设计中经常被提及的概念。 在信号在传输线路传输的过程中，在信号到达的点上，在传输线路和参考面之间形成电场，由于电场的存在而瞬间产生小的电流，并且在传输线路中的任何点都存在该小电流。 同时信号中也存在一定的电压，在信号传输的过程中传输线的所有点与一个电阻等效，该电阻是我们提到的传输线的特征阻抗。 这里，特征阻抗相对于交流信号(或高频信号)，必须区分传输线路相对于直流信号具有直流阻抗的概念。 这个值可能远小于传输线路的特征阻抗。 当传输线的特性(线宽、距基准面的距离等特性)决定时，传输线的特性阻抗就决定了。 一般的PCB布线特性阻抗计算式： Z0 (L/C)0.5这里，l是单位长度的传输线的固有电感，c是单位长度的传输线的固有电容。 从这个简单的计算公式可以理解，为了改变传输线的特性阻抗，必须改变每单位长度的传输线的固有电感和电容。影响传输线特性阻抗的几个因素。根据以上的公式，能够更好地理解影响传输线的特性阻抗的几个要素a .线宽与特性阻抗成反比。 增加线宽相当于增加电容，减小特征性阻抗，反之亦然。的。b .介电常数与特性阻抗成反比。 同样，提高介电常数相当于增加容量。c .从传输线到基准平面的距离与特征阻抗成比例。 增加传输线和基准面之间的距离相当于减小电容，从而特征阻抗也减小，反之亦然。d .传输线的长度与特征阻抗没有关系。 从公式可以看出，l和c都是单位长度的传输线路的参数，并与传输线路的长度无关。e .线径与特性阻抗成反比。 由于高频信号的表皮效应，影响比其他因素小。图示信号的传播接下来用图示的方法来说明，传输线是分布参数系统，各段具有分布容量、电感、电阻。 传输线的分布参数通常由每单位长度的电感l、每单位长度的电容c、每单位长度的电阻、电感来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性决定。 分布的电容、电感、电阻是传输线本身固有的参数，提供了某些传输线，这些参数的值也确定，这些参数反映传输线的内在因素，它们的存在决定了传输线的一系列重要特性。 传输线的等效电路由无数微分线段的等效电路串联连接。图3 :传输线路模型1在上图中，在t1时间段，电阻Ra1的电阻值小，电感L1也小，电容器C1也小，电阻Rb1大。 电信号从低水平变化到高水平，不是整个导线一口气变化到高水平，而是像钱塘江的潮水涨潮和波浪一样推移的时候。 钱塘江大潮来后，把河水面从低水位变成高水位。 波浪一个个地来，好像高频信号不断地传播。 信号电场也像潮水一样，那是后退前进的方式，前进的方式继续着。图4 :潮水正在前进图5 :波浪在扩大在导线上的一定地方，其水平好像是潮头逐渐上升，这个上升的波形是我们平时能用示波器测量的上升边，这个上升边快慢的，需要高速的信号，上升边和下降边不快的话，水平还没有来低频信号不一定上升沿的下降沿平缓，也可以比较陡峭。 如果上升沿和下降沿比较陡峭，也必须将低频信号处理为高频信号。图6 :传输线模型2如何简单地理解信号传播和信号电路问题我们能这样简单地理解信号传播和信号电路的问题，一个信号传播导体，它就会受到导体上的电阻衰减、电感阻碍、寄生电容充电和介质漏电等。 如果看微分引线，信号的峰值来到这里后，对寄生电容进行充电并漏电到介质上，它沿着传播路径下的基准平面具有返回电流，到达下一个微分点，电流又回到前一个点，该信号还没有到达终点，沿着引线的传播路径返回信号到达终点后，整个通路保持平衡后，返回路径从信号最好的(最短路径、最小电阻)路径回来。低速信号地电路路径低速信号的信号峰值从起点到终点的时间与高速信号相同，但这两个信号之间的时间比较长，信号前进时电流从导体路径返回，平衡地从最短路径返回。 因为信号的峰值从起点到终点的时间远小于信号的周期，所以大部分电流从最短路径返回。图7 :低速信号地电路路径高速信号地电路路径大多数返回电流从信号传播路径返回，因为高速信号和低速信号不同，其波形接连不断。图8 :高速信号地电路路径如上所述，在FR4的相对介电常数为4的PCB中，信号传播速度约为15 cm/ns。 如果用15cm长度的导体发送信号的话，信号从这里到达那里需要1ns的时间，500MHz的时钟信号在中间传播，波的峰值还没有到，第二波形又出来了。 这样一波一波地流过，返回的电流一直在传播路径上走着。信号的传播相当于对沿途的寄生电容进行充电，在寄生电容的负侧有反馈电流。图9 :基于耦合的寄生电容的反馈模型为什么要说回归路径？为什么要说反馈路径，反馈路径是信号传播的原动力，只要使反馈路径平滑，信号传播的途中有电压差，就可以使信号前进。 所以反馈路径对电子电路是不可或缺的，设计PCB特别是高速电路必须考虑。 否则，会出现串扰、反射、过冲、波形失真等各种情况，电路无法正常工作。 返回路径是参照面，参照平面是阻抗大的因子。在下图中，可看到单端导线的剖面图，阻抗与H1成正比，与Er成反比，与W1、W2、T1成反比。 W1、W2、T1是梯形面，由这三个参数构成的是导体截面，实际的阻抗与导线截面积成反比。 即，特性阻抗与导体截面积、从导体到基准平面的距离、从导体到基准平面的介电常数有关。图10 :导线和基准面的截面设计PCB板时，需要设计参照平面我们在设计PCB基板时，设计了4层基板一样的参照平面，中间的2层是作为参照层的6层板，第2层和第5层是基准层。 参照平面可以是地层，也可以是电源层，最好以地为参照层。图11 :四层板的层叠六层板的第一层和第三层以第二层为基准平面，第四层和第六层以第五层为基准平面，为了减小第三层和第四层的相互影响，如果增大PP片3的厚度，使厚度远大于PP片2的厚度，则它们之间的影响变得非常小。 例如，在PP片2和PP片4的厚度为3mil，PP片3的厚度为10mil的情况下，使用阻抗计算软件来计算第三层或第四层信号线的阻抗，并使用微带线和带线的模型来计算和计算从这个比喻可以看出，月亮到地球的距离是38万公里，地球到太阳的距离是1.5亿公里，太阳的质量和体积比地球大得多，但是对月亮的影响远不及地球。 因为月亮到地球的距离远小于太阳的距离。 因此，在处理多层数复杂的电路板时，如果要寻找一个基准层，使另一层远离该信号层，以指定的该基准层为主要影响，我们设计的阻抗叠层模型就非常简单。图12:6层板层叠参考层的中间断面和冲孔过多，分隔会怎么样？参考层必须完全复盖信号，中间截面和冲孔过多会被隔断，对信号传输质量造成严重影响。 但是，在很多情况下，为了成本考虑合理的层数，信号必须改变层，参照面也是两个电源平面，中间可能被分割，在这种情况下需要应对的方法。 更换信号线时，因为还必须考虑返回电流的电路，所以参考层改变，电路也必须连接。 参考层不是一个等级，在两个等级的参考层之间必须增加电容连接。图13 :信号线通过两个基准面如果参考层改变，阻抗也会改变。 如果参考层不同，无法直接连接，请增加容量进行连接。 电容用于笔直交通间隔，并且可以在两个不同电平的参考平面之间施加电容，给高频信号提供反馈路径，从而使阻抗变得不连续。虽然阐述了阻抗设计的一部分知识，但是当然这些知识是我们平时不太注意的地方，从另一方面也理解阻抗。 为了彻底理解和使用阻抗知识，我们还需要补充很多知识点，这些知识点在书上容易看，需要下很多功夫学习。做PCB设计，对零件进行布线，布线的只有低水平。 为了让你设计的电路板可靠地工作，你还有很多知识，需要补充学习，灵活地应用。 的双曲馀弦值。用简单的设计方法，你设计的高速PCB电路也能满足阻抗的要求我不想知道高级的理论知识。 说明简单的设计方法，所设计的高速PCB电路也能满足阻抗的要求。 在设计PCB时，将一侧的信号线的布线宽度设定为宽度，将差动(两端)的布线宽度设定为宽度，电源线等过电流的布线根据电流要求设定为其他宽度。 经验上，如果设单端线宽为5mil，差分为4.5mil，线间距离为5mil，当然也需要考虑基准平面。 像这样，根据发板的要求向制造商说明，线宽5mil的为50欧姆的阻抗，线宽4.5mil的为差动线，100欧姆的阻抗即可。 这里说明的是按阻抗制作宽度，制造商按照你的要求计算并生产阻抗的要求。 当然，你做的线宽必须用阻抗计算软件计算。 误差太大，制造商调整不了。简单地说，你的阻抗是不同的线宽，他们可以选择调整这种线宽，改变线宽、线宽、介质材料、铜厚度、介质厚度等，以满足阻抗的要求。 在设计前也要与厂家进行很多沟通，调整设计要素，减少厂家调整的困难。致远产品从低速到高速，从单体产品到复杂的产品，今天我们做了高级仪表，在我们十几年里不断摸索学习，做了很多努力，第一次在高速复杂的电路上做了树。 今天，我们的