PCB板阻抗控制模型的研究

摘 要：對(duì)于PCB生產(chǎn)，傳輸線特性阻抗測(cè)量十分重要。在電路板中，只有在阻抗良好匹配的情況下，才能保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。文章選取四種典型跡線類型，研究其阻抗控制模型，并將構(gòu)建的計(jì)算模型與二維場(chǎng)求解器計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證其計(jì)算效果。

關(guān)鍵詞：PCB板；阻抗模型；跡線類型

引言

阻抗控制是依照PCB板按跡線布局的分類，再根據(jù)不同的類型計(jì)算各個(gè)類型相關(guān)參數(shù)。阻抗控制就是為了反映構(gòu)成電路板的各要素與傳輸線特性阻抗間的關(guān)系，亦即電路板的物理尺寸和PCB填充介質(zhì)介電常數(shù)與傳輸線特性阻抗之間的關(guān)系。影響電路板阻抗值的關(guān)鍵參數(shù)有：跡線的寬度、跡線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、差分線的間距、覆銅厚度等。在沒有場(chǎng)求解器的情況下，論文著重討論P(yáng)CB板物理尺寸和介電常數(shù)與傳輸線阻抗值之間的關(guān)系及其影響，并與二維場(chǎng)求解器的計(jì)算結(jié)果比較。

1 微帶線單端阻抗模型的建立

在由Stephen H. Hall，Garrett W. Hall，James. McCall主編的High-Speed Digital System Design（高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)）一書中給出了在沒有場(chǎng)仿真器的情況下，微帶線單端阻抗的精確計(jì)算公式[1]。此處所指的微帶線和軟件中的表面微波傳輸線是同一跡線類型，其表面不存在覆膜。表面微波傳輸線阻抗公式中使用的尺寸參數(shù)如圖1所示。

其給出的公式結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較高，不便于將各個(gè)參數(shù)分離出來單獨(dú)計(jì)算，IPC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將這一公式簡(jiǎn)化。IPC-D-317A，Design Guidelines for Electronic Packaging Utilizing High-Speed Technique（高速電子封裝設(shè)計(jì)指南）提出了簡(jiǎn)化的表面微波傳輸線阻抗計(jì)算公式[2]如公式（1）所示。

2 帶狀線單端阻抗模型的建立

帶狀線是含有上下兩個(gè)參考面的傳輸線。此處帶狀線單端阻抗模型的建立是針對(duì)對(duì)稱帶狀線而言的，亦即信號(hào)線與上下兩個(gè)參考面的距離相等。同樣，在由Stephen H. Hall，Garrett W. Hall，James. McCall主編的High-Speed Digital System Design（高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)）一書中有提到，在沒有場(chǎng)仿真器的情況下，對(duì)稱帶狀線的精確計(jì)算公式[1]。對(duì)稱帶狀線阻抗公式中使用的尺寸參數(shù)如圖所示。

對(duì)稱帶狀線的阻抗計(jì)算公式復(fù)雜度較高，不便于將各個(gè)參數(shù)分離出來單獨(dú)計(jì)算，IPC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦了一個(gè)對(duì)稱帶狀線的簡(jiǎn)化計(jì)算公式[2]。對(duì)稱帶狀線的阻抗簡(jiǎn)化計(jì)算公式如公式（2）所示。

3 嵌入式微帶線單端阻抗模型的建立

嵌入式微帶線是指將信號(hào)傳輸線包裹在絕緣介質(zhì)中，和表面?zhèn)鬏斘Ь€一樣只有一個(gè)參考面。Douglas，Brooks在Printed Circuit Design給出了嵌入式微帶線的阻抗計(jì)算公式[3]。嵌入式微帶線單端阻抗公式中使用的尺寸參數(shù)如圖3所示。

4 帶狀線差分阻抗模型的建立

差分走線有兩種基本類型：邊緣耦合和上下耦合。這里僅討論邊緣耦合對(duì)稱帶狀線的情況。計(jì)算帶狀線的差分阻抗，只有一種有用而且合理的近似計(jì)算方法，他最早由James Mears在國際半導(dǎo)體應(yīng)用手冊(cè)（AN-905）[4]中給出。其所指的線型和軟件中所涉及的邊緣耦合對(duì)稱帶狀線是同一線型。邊緣耦合對(duì)稱帶狀線阻抗公式中使用的尺寸參數(shù)如圖4所示

對(duì)于任何經(jīng)過仔細(xì)布線的差分信號(hào)線，其差分阻抗都比2Zo小。其中Zo是每一條走線的單端阻抗。邊緣耦合對(duì)稱帶狀線的阻抗計(jì)算公式如公式（4）所示。

5 結(jié)束語

無論是從傳輸線、頻率、信號(hào)線反射、電磁干擾，還是信號(hào)完整性等方面，嚴(yán)格控制阻抗值的大小都十分有必要。基于此，論文對(duì)表面微波傳輸線、對(duì)稱帶狀線、嵌入式微波傳輸線、邊緣耦合對(duì)稱傳輸線阻抗計(jì)算方法進(jìn)行建模，并與二維場(chǎng)求解器的計(jì)算結(jié)果比較，兩者的計(jì)算結(jié)果差異較小，說明可以用于計(jì)算跡線阻抗的大小，則該計(jì)算模型可以為阻抗控制仿真軟件提供計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)

[1]IPC-D-317A.Design Guidelines for Electronic Packaging Utilizing High-Speed Technique.1999.

[2]Douglas，Brooks.Embedded Microstrip Impendence Formula[J].PrintedCircuit Design，2002.

[3]National Semiconductor.Transmission Line RAPIDESIGNER Operation and Application Guide.AN-905.