PCB設計中的阻抗簡介

隨著 PCB 信號切換速度不斷增長，當今的 PCB 設計廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號傳輸時間和較高的時鐘速率，PCB 跡線不再是簡單的連接，而是傳輸線路。
什么是控制阻抗？
可能最常見的控制阻抗組件示例是連接無線設備或電視接收天線的饋線。天線饋線通常使用“扁平雙纜”的線纜形式（一般隨 VHF 廣播接收器提供）或低衰減的同軸電纜。無論采用哪一種形式，饋線的阻抗都是由物理尺寸和線纜材質(zhì)控制的。
您可以將 PCB 跡線當做較短的線纜，它們精確的布放在線路板上連接板上安裝的各個設備，其中的 PCB 跡線類似同軸電纜內(nèi)部的導體，承載信號并與其返回線路（本例中是接地層）通過線路板疊層板絕緣。在微波傳輸帶配置下，這一情況如圖 中的交叉部分所示。
跡線寬度 W 和 W1、厚度 T 和疊層板高度 H 以及絕緣常數(shù) Er 都必須嚴格控制。表面上的焊點將略微減小阻抗，因此經(jīng)常采用如圖 顯示的更加容易預測的帶狀線配置。
為什么需要控制阻抗？
接收天線擁有自然的或特性阻抗，電子理論表明為了使用天線將最大的功率傳輸給接收器（確保電子信號的完整性），饋線和接收器的阻抗都應該和天線相匹配。換而言之，在信號從其來源到目標的傳輸過程中，信號阻抗在理想情況下應該表現(xiàn)為常量。如果出現(xiàn)不匹配的情況，則將只能發(fā)送部分信號，其余的信號將被反射回到信號源（使信號減弱）。線纜設計廠商因此要特別確保線纜長度和材質(zhì)特性的精度和一致性。使用較高的信號切換速度，必須考慮線纜的電子屬性，例如電容和電感系數(shù)，而且也不能將線纜視為簡單的導線。設計用于高速信號的線纜時考慮了這些因素的相應線纜應該稱為傳輸線路。
PCB 上的控制阻抗
同樣，隨著 PCB 上的信號切換速度的不斷增長，承載信號的跡線的電子屬性將變得愈加重要。PCB 跡線的阻抗由以下因素控制
        ● 配置
        ● 尺寸（跡線寬度和厚度、線路板材質(zhì)的高度）
        ● 線路板材質(zhì)的絕緣常數(shù)

在使用線纜時，當信號遇到由材質(zhì)或幾何尺寸上的改變引起的阻抗變化時，部分信號將被反射回去，部分信號被傳送到目標。這些反射可能導致信號失常，進而降低電路的性能（例如低增益、噪聲和隨機錯誤。）線路板設計廠商在實際中將指定線路板跡線的阻抗值和誤差，并依靠 PCB 制造商來遵循相應的規(guī)范。
測試 PCB
大部分控制阻抗的 PCB 要經(jīng)歷 100% 的測試。但是，對于不容易檢測到的 PCB 跡線來說則比較困難。此外，跡線可能很短，并且可能包括許多分支，要精確地測試阻抗非常困難。出于測試目的添加額外的線路將會影響性能并占用線路板空間。PCB 測試因此通常在集成到 PCB 面板上的一兩個測試試樣上執(zhí)行，而不是在 PCB 本身之上。試樣具有和主 PCB 相同的分層和跡線構(gòu)造，同時和 PCB 的阻抗相同，這是非常精確的。進而測試試樣就足以確定線路板的阻抗是否正確了。
測量控制阻抗
阻抗測量通常使用時域反射計 (TDR) 來完成。TDR 通過控制阻抗線纜和探針向試樣應用快速電壓步長。任何脈沖微波中的反射都將顯示在 TDR 上，并且表示阻抗值的變化（稱為不連續(xù)性。）TDR 可以表明不連續(xù)性的位置和幅度。使用適當?shù)能浖?，TDR 可以繪制試樣的測試跡線長度上的阻抗圖。所生成的跡線特性阻抗的圖形化表示將允許在生產(chǎn)環(huán)境中執(zhí)行此前所述的復雜測量。