聊聊关于PCB板“阻抗”的小知识和阻抗计算小工具

Posted 2021-12-20 ybhuangfugui

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来源 | 阿昆谈DFM

PCB工程师在设计PCB时，对于高速电路板或电路板上的关键信号会经常涉及到“做阻抗”、“阻抗匹配“的这些问题。

今天就来分享下关于“阻抗”相关的内容。

什么是阻抗匹配？

阻抗要求是为确保电路板上高速信号的完整性而提出，它对高速数字系统正常稳定运行起到了关键性因素，在高速系统中，关键信号线不能当成是普通的传输线来看待，必须要考虑其特性阻抗。

若关键传输线的阻抗没有达到匹配，可能会导致信号反射、反弹，损耗，原本良好的信号波形变形（上冲、下冲、振铃现象），其将直接影响电路的性能甚至功能。

每次工程师们画完PCB后，如果对于有”做阻抗“需求的PCB时，就必须要在工艺要求文件里附上阻抗需求（包括哪些线路、做多大值的阻抗、控制误差在多少等信息）

以上是PCB制造的一个工艺要求表，PCB上通常如果有非常多的关键信号要做阻抗，则可以单独附个文档，将要进行阻抗控制的线路显示出来，并说明要做的值和误差，电路板厂就会对这些”重要信号“线进行调整控制。

而阻抗值这些信息是怎么来的？通常是芯片规格手册上、方案要求上、或者一些业界都认统一认可以参数值。

对于非电子专业的朋友来看PCB板上的走线，其实对于高速信号来说，线路并不是仅仅从A连通到B这么简单了，还要考虑”阻抗因素“，这个因素会直接关系到信号是否完整的从A点传到了B点。

这就和上图的蛇形走线道理一样，对于信号传输不了解的话，就理解不了为什么这条线不直接拉直，两点之间，不是线段最短吗，线路了，损耗也小吗？

非也，在电子线路里，特别是高速信号里，讲的是匹配性，信号传输是有时间的，线路越长，时间也会长，时序不一样，就会影响性能问题，当然对于低速，这些都没有影响。

如果阻抗不匹配，那么信号传输过程中会存在非常大的失真、衰减，而最后影响到功能，轻则不稳定或者传输速度下降，重则直接罢工直接功能实现不了。而不同信号的阻抗值不一样，差分线要求阻抗一般在100欧或120欧，比如高速USB、HDMI信号。单端阻抗要求在50欧\\75欧等，这些要求就是PCB工程师自己去确定的事，PCB板厂则根据你的要求，结合他们的材料\\PCB文件线路设，使用阻抗软件工具进行调整，最后使用设备测试，让它达到要求值。

这是板厂使用的阻抗计算的软件。

影响”阻抗“的因素是哪些呢？

大家记录一下，它包括：线宽、线距、叠层、PCB板材介质及厚度等这都是影响阻抗的因素。

板厂工程师就是通过调整这些值来满足要求。实际中主要是通过控制导线宽度、叠层来控制阻抗（因为PCB基材\\厚度都是个定值，比较好动的就是线宽\\线距参数了）。

阻抗线是有分几种类型的，不同类型，板厂工程在软件里计算的时候用的对象都是不一样的，这里大家都要注意下。所以PCB工程师要学会如何用PCB阻抗计算软件来计算当前设计的线路是否满足阻抗值是很有必要的（前提是知道板厂用的板材参数能更准确）。

一、阻抗线按类型分为单端阻抗、差分阻抗两种类型，说通俗点是针对的是单条传输线和一对差分线。

如下图，分别是差分阻抗、单端阻抗、共面差分阻抗、共面单端阻抗：

二、阻抗线按传输媒质分为带状线和微带线。

带状线：信号线位于两层接地面（或电源）之间的介质内的导线（在内层，有两个参考平面）根据传输线与两接地平面的距离相同或不同，又分为对称带状线和非对称带状线。

带状线的特性阻抗由导线的厚度、宽度、介电常数，及接地平面的距离有关。带状线两边都有电源或者底层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽较好。

微带线：用电介质将导线与地（电源）平面隔开的传输线（在PCB表层，仅有一个参考平面）分两种微带线，一种是埋入的（在内层），一种是非埋入的。微带线特性阻抗由导线的厚度、宽度、基材厚度及介电常数决定。主要用于双层和多层板。

分析几种不同类型阻抗

一、差分阻抗

参考地平面同单端阻抗一样，唯一的差别是线宽线距也要调整有要求

二、特性阻抗(单端阻抗）

针对很多线做阻抗，只有下面有地平面，参照最接近的地层做，如果是内层的线则要参考最接近的2层地平面做。

三、共面阻抗（共面差分和共面特性）

1.共面差分

共面差分周围有均匀的铜皮围着，铜皮到阻抗线距离一致，且铜皮上有成排via孔，共面差分阻抗线下面和周边都有地平面。

2.共面特性

介绍了这么多，大家对PCB的阻抗是否有点一些认识，总结下：

1、阻抗的作用是为了保证信号传输的完整性，确保信号从A点可以完整传到B点，不会变形失真。

2、阻抗主要是针对高速信号作的要求。

3、不同信号阻抗值不一样，由PCB设计工程师结合方案要求确认。

4、阻抗值受PCB非常多的因素影响。

5、阻抗值是通过专业的阻抗计算软件，结合阻抗类型、线宽、线距、板材、叠层、板厚、介质等因素进行综合计算。

6、板厂通过设备如阻抗测试仪测试最终阻抗

阻抗计算工具介绍

板厂通常用的阻抗计算工具软件是Polar  SI9000，在这里给大家推荐一款阻抗介绍更方便的集成工具，其实也和Polar  SI9000，但作了汉化，也更好用。这就是PCB的DFM评审工具中自带的功能。

通过在软件里选择合适的阻抗类型及PCB相关参数，就可以计算出阻抗值，简单好用！大家通过如下方式下载使用！

华秋DFM下载地址：

https://dfm.elecfans.com/uploads/software/promoter/hqdfm_shuang.zip

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