電路板阻抗原理知識及應用

 前言： 我們做電子設計，遇到高速電路時會遇到很多問題， 也會有很多新名詞， 比如： 過 沖，下沖，時延，阻抗，反射等，經過我的反復思考

與研究，得到一些心得，跟大家一 起分享。
隨著信號傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應用， 對印刷電路板也提出了更高 的要求。
印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號在傳輸過程中不發生反射現象，信 號保持完整，降低傳輸損耗，起到匹配阻抗的作用，這樣才能得到完

整、可靠、精確、 無干擾、噪音低的傳輸信號。
在高速數位電路的 PCB 設計上，我們設計的產品不管是用到 DDR2 ，還是 DDR3 記憶體，不管是 PCIE 差分還是 SATA 傳輸，都用到了高速 PCB 設

計技術，而我們所設計的 PCB 用了阻抗控制技術後，基本上沒有出現是 PCB 問題跑不通的情況。
要理解高速信號的設計知識，先要從一些基礎電子知識說起。
基礎知識 導體中的自由電子在電場的作用下定向移動形成電流。
電流方向只是物理學中約定俗成的一個規定 ,物理上規定電流的方向是正電荷的定向移動的方向或者負電荷的定向移動的反方向。
電流的速度不是電子運動速度，而是電場的速度。

 

图 1. PA6000 功率分析儀的電磁抗擾度測試現場

                                        图 2：定向移動的電子

電場的傳播速度和阻抗沒有直接關係，但它們都與導體周圍的介質有關 電信號的傳播速度是與導體周圍的介質介電常數有關的， 電信號在真空中

（指導體周圍比較大的範圍內都是真空） 的傳播速度是光速 3*10^8 m/s, 換算為 30 cm/ns 。
在其它的介質中，它的傳送速率是不一樣的，如果相對介電係數是 Er ，則傳播速度為 30/Er^0.5 。
例如，在水中，水的相對介電係數是 80 ，所以，傳播速度約是真空中的1/9 ，即： 30/80^0.5 = 3.35 cm/ns 。在 PCB 中，FR4 的相對介電係數

約為 4，所以， 傳播速度是真空中的一半，即： 30/4^0.5 = 15 cm/ns 。
傳輸線的特徵阻抗是什麼 傳輸線的特徵阻抗， 又稱為特性阻抗， 是我們在進行高速電路設計的時候經常會提到的一個概念。
信號在傳輸線中傳輸的過程中，在信號到達的一個點，傳輸線和參考平面之間會形成電場，由於電場的存在，會產生一個瞬間的小電流，這個小電流

在傳輸線中的每一點在。
同時信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點就會等效成一個電阻，這個電阻就是我們提到的傳輸線的特徵阻抗。
這裡一定要區分一個概念，就是特徵阻抗是對於交流信號 (或者說高頻信號 )來說的，對於直流信號，傳輸線有一個直流阻抗，這個值可能會遠小於

傳輸線的特徵阻抗。
一旦傳輸線的特性確定了 (線寬，與參考平面的距離等特性 )，那麼傳輸線的特徵阻抗就確定了。
一般的 PCB走線特徵阻抗計算公式： Z0 ≈ (L/C)^0.5其中 L 是單位長度傳輸線的固有電感， C 是單位長度傳輸線的固有電容。
通過這個簡單的計算公式我們能看出來，要改變傳輸線的特徵阻抗就要改變單位長度傳輸線的固有電感和電容。
影響傳輸線特徵阻抗的幾個因素
根據以上公式，這樣我們就能更好的理解影響傳輸線特徵阻抗的幾個因素：
a. 線寬與特徵阻抗成反比。 增加線寬相當於增大電容， 也就減小了特徵阻抗， 反之亦然。
b. 介電常數與特徵阻抗成反比。同樣提高介電常數相當於增大電容。
c. 傳輸線到參考平面的距離與特徵阻抗成正比。增加傳輸線與參考平面的距 離相當於減小了電容，這樣也就減小了特徵阻抗，反之亦然。
d. 傳輸線的長度與特徵阻抗沒有關係。 通過公式可以看出來 L 和 C 都是單位 長度傳輸線的參數，與傳輸線的長度並沒有關係。
e. 線徑與特徵阻抗成反比。由於高頻信號的趨膚效應，影響較其他因素小。 圖示理解信號傳播 下面再以圖示的方法說明下， 傳輸線是一個分佈參

數系統， 它的每一段都具有分佈 電容、 電感和電阻。
傳輸線的分佈參數通常用單位長度的電感 L 和單位長度的電容 C 以 及單位長度上的電阻、電導來表示，它們主要由傳輸線的幾何結構和絕緣介質

的特性所 決定的。
分佈的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數，給定某一種傳輸線，這些 參數的值也就確定了，這些參數反映著傳輸線的內在因素，它們的存

在決定著傳輸線的 一系列重要特性。傳輸線的等效電路是由無數個微分線段的等效電路串聯而成。

 

图 3：傳輸線模型 1

在上圖裡，以 t1 時間段來說，電阻 Ra1 的阻值很小，電感 L1 也很小，電容 C1 也很小， 電阻 Rb1 很大。
電信號從低電平變高電平高電平， 它不是整條導線上一下子就 變為高電平了，而是像錢塘江大潮漲潮或波浪推進時，是有一個過程的。
錢塘江大潮來 後，就把江面從低水位變到高水位了， 波浪是一個一個的來， 就像高頻信號不停的傳輸。 信號電場也如潮水一樣，它是後面的推前

邊的，前面的繼續向前。

 

图 4： Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 潮水在向前推進

 

 

图 5： Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 波浪在傳播

在導線上的一個固定地點， 它的電平是如潮頭逐漸上升的， 這個上升的波形， 就是 我們平常可以用示波器測量的上升沿，這個上升沿有快有慢，高速信號，需要上升沿和 下降沿都要快，否則電平還沒到，下一個信號電平又來了。
而低頻信號並不等於上升沿 下降沿就平緩，它也可以比較陡。低頻信號如果上升沿和下降沿比較陡的，也要當高頻 信號來處理。

 

图 6： Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 傳輸線模型2

如何簡單理解信號傳播與信號回路問題 我們可以這樣來簡單理解信號傳播與信號回路問題， 一個信號在導體裡傳播， 它就要受到導體上電阻的衰減，電感的阻礙，給寄生電容充電和介質漏電等。
微分導線後可見，信號峰頭到這裡來後，由於給寄生電容充電和介質漏電，它就會沿傳播路徑下的參考平面有一個返回電流，然後到下一個微分點，電流又返回到前一個點，這個信號還未傳到終點前，
沿導線的傳播路徑的返回電流一直存在，等信號到達終點後，整個通路建 立平衡後，返回路徑才從信號最好走的（最短路徑，最小電阻）路徑返回。
低速信號地回路路徑 低速信號的信號峰頭從始點到終點的時間和高速信號一樣， 但它兩個信號間時間比 較長，信號推進時從導體路徑返回電流，平衡後從最短路徑返回。
而信號峰頭從始點到 終點的時間遠小於信號週期，所以大部分電流從最短路徑返回了。

图 7： Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 低速信號地回路路徑高速信號地回路路徑高速信號和低速信號不一樣，它的波形一個接一個的，所以絕大部分返回電流從信號傳播路徑返回。

 

图 8： Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 高速信號地回路路徑前面說過，在 FR4 的相對介電係數為 4 的 PCB 中，信號傳播速度是約為 15 cm/ns 。

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如果我們以 15cm 長的導體來傳信號，信號從這頭傳到那頭就要 1ns 的時間，一個500MHz 的時鐘信號在裡面傳播，就是一個波的峰頭還沒到，第二波形又發出去了。這樣一個波一個波的傳過去，返回的電流一直從傳播路徑上走。

 

信號傳播，也相當於在給沿途的寄生電容充電，寄生電容的負端就有返回電流了。

 

 

 

图 9： Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 耦合產生寄生電容的返回模型為什麼要講返回路徑我們為什麼要講返回路徑，返回路徑是信號傳播的原動力，只有讓返回路徑暢通，信號傳播途中才有電壓差，才使信號向前走。

所以返回路徑是電子電路必不可少的，是設計 PCB 特別是高速電路一定要考慮的，否則，就有串擾，反射，過沖，波形畸變等各種情況產生，電路工作不正常。
返回路徑就是參考面，參考平面是阻抗的一大因數。 在下圖中， 是單端導線的截面圖， 阻抗與 H1 成正比， 與 Er 成反比， 與 W1 、W2 、T1 成反比，大家可以看出， W1 ， W2 ，T1 是一個梯形面，這三個參數組成的就是導體截面，實際阻抗與導線截面積成反比。
也就是說，特性阻抗是與導體截面積、導體到參 考平面的距離和導體到參考平面間介質的介電常數有關的。

图 10 ：

Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 導線與參考面截面我們在設計 PCB 板時，要設計好參考平面我們在設計 PCB 板時，設計好參考平面，如四層板，中間兩層是參考層；六層板，第二層和第五層是參考層。

Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:普通表格; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:10.5pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-font-kerning:1.0pt;}

參考平面可以是地層，也可以是電源層，以地為參考層更好。

 

 

 

图 11 ：四層板疊層 六層板的第一層和第三層以第二層為參考平面， 第四層和第六層以第五層為參考平面，要使第三層和第四層相互影響較小，可以把 PP 片 3 的厚度加大，厚度加大到遠遠大於（三倍以上） PP 片 2 的厚度時，它們間的影響就非常小了。

如 PP 片 2 和 PP 片 4的厚度為 3mil,PP 片 3 的厚度為 10mil, 這時，你用阻抗計算軟體算第三層或第四層信號線的阻抗，你用微帶線和帶狀線的模型去計算，計算的結果相差不大。
用這個比喻大家就明白了，月亮到地球的距離是 38 萬公里，地球到太陽的距離是1.5 億公里，太陽的品質和體積都比地球大得非常多，但對月球的影響遠遠不及地球，原因就是月亮到地球的距離遠遠小於到太陽的距離。
所以大家在對待多層數複雜電路板的時候，找好一個參考層，讓其它層遠離這個信號層，讓指定的這個參考層為主影響， 這時，我們設計的阻抗疊層模型就要簡單很多。

 

图 12 ：六层板叠层

參考層中間斷面或打孔過多造成隔斷怎麼辦 參考層要完整覆蓋信號走線， 中間斷面或打孔過多造成隔斷， 都會嚴重影響信號傳輸品質。但很多時候為了成本考慮用合理的層數，信號要換層，參考面也可能是兩個電源平面，中間是分斷的，這時就要有方法處理下。
信號線換層時，也要考慮返回電流的回路，所以參考層變了，也要把回路聯通，對於參考層不是一個電平的，要在兩個電平 參考層間加電容連接，如下圖：

 

图 13 ： Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 信號線穿過兩個參考面參考層變化了，阻抗就就變了。

參考層電平不一樣， 又不能直接連通， 這時就加電 容來連接。電容有通交隔直的作用，在兩個不同電平的參考面間加電容，給高頻信號一個返回通路，也使阻抗不連續變好一些。
上面講了一部分阻抗設計知識，當然這些知識是我們平常很少注意的地方 ,也從另一個側面來理解阻抗。
要徹底搞懂阻抗知識及用好它，我們還有很多知識點需要補充，這些知識點很容易在書本上看到的，也要花很多功夫學習。 做 PCB 設計，把元件布好和連接好導線只算低層次。
要想你設計的電路板可靠地 工作，還有非常多的知識要補充學習，再靈活應用。
簡單的設計方法，也可以讓你設計的高速 PCB 電路達到阻抗要求 你不想搞懂高深的理論知識， 下面說一下簡單的設計方法， 也可以讓你設計的高速PCB 電路達到阻抗要求。
你在設計 PCB 時，單端信號線走線寬度設置成一個寬度，差 分（雙端）走線設置為另一寬度，電源線等過電流的線按電流要求又設置成其它寬度。
根據經驗，如單端線寬設為 5mil ，差分的設為 4.5mil, 線間距都為 5mil ，當然還要考慮參考平面。
這樣，你在發板要求裡給生產廠家說明，說：線寬為 5mil 的都給做成 50 歐 姆阻抗，線寬為 4.5mil 的為差分線，做成 100 歐姆阻抗就行了。
這裡說明的是每種阻 抗做一種寬度，生產廠家就會按你的要求給你計算生產成你要的阻抗要求了。
當然，你 做的線寬還是要先用阻抗計算軟體計算下，誤差大了，生產廠家給你調整不了的。
簡單說明就是，你是不同的阻抗用不同線寬，他們就會把這個線寬選擇出來調整，他們可以改變線寬、線間距、介質材料、銅厚度、介質厚度等來滿足阻抗要求。
在設計之前也要多和廠家溝通，調整設計項目，減少廠家的調整難度。
致遠產品從低速到高速，從單機產品到複雜產品，以致今天我們做高端儀器儀錶，是我們十幾年裡不斷的摸索學習，下了很多心力，才在高速複雜電路上有所建樹。
今天我們的高端儀器，有高速 FPGA, 高速 DSP,DDR2/DDR3 多記憶體組成的大系統，我們能使它穩定可靠的工作，全靠這些理論知識加實踐經驗結合。
如我們做了氣體分析記錄儀器，單板用了 22 片 DDR 記憶體，我們 PA 系列功率分析儀，板卡內是 DSP+FPGA 組成的複雜系統，板卡間跑 PCIE 高速信號，這些都靠我們的扎實豐富的理論加實踐知識去完成的。
任何一門知識都不是單獨存在的， 它都和其它知識組成系統知識， 只有在相關知識 上都瞭解情況下，再融合貫通，靈活應用，才能做出好的作品來。