高速PCB设计中的对阻抗匹配的理解
前些日子做了个做了个CPU板,Layout关键部分是两片DDR2。这是第一次做这样的高速板子自己也不懂,没办法硬着头皮上吧。当时对绕等长啊、信号线分组啊等等这些都明白,后来板子画完了我以为完事大吉投板制作就OK了。没想到啊没想到,还要填一个制板说明,找了个高贵的公司,表格前面一大堆名词不懂,还好有JLC制作两层板的丰富经验,百百度,打电话问问公司大多也都能应付,可到后面层叠与阻抗可犯难了,这都是神马东西哦。。打电话给制作公司也听不懂人家讲的什么微带线云云。。。
不过现在一一都搞清楚了,下面以我的板子的实例来大概分享一下我的理解。
首先,第一个概念:特征阻抗
特征阻抗又称特性阻抗,属于长线传输中的概念(信号的波形与传输距离可以比较)。在高频范围内,信号传输过程中,信号沿到达的地方,信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立,会产生一个瞬间电流,如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就始终存在一个电流I,而如果信号的输出电平为V,在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为V/I,把这个等效的电阻成为传输线的特性阻抗Z。
我的理解:特性阻抗不是指线的阻抗而是指的是导线与参考平面会形成电场,信号的高频变化会使电场间类似于电容的充放电有电流通过,这个V/I即特征阻抗。在传输线的每一个点都有一个特征阻抗值。这个与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关,信号在传输过程中会感受特征阻抗的连续与否。
第二个概念:微带线
它由一根带状导线与地平面构成,中间是电介质。如果电介质的介电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的,其精确度将在±5%之内。概念永远是说不清楚的,来吧看图!
看特性阻抗公式我们可以知道,它的值对于传输线来说只与它的线宽和铜箔厚度有关,其它参数都是板层介质的参数。
第三个概念:带状线
带状线就是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带。如果线的厚度和宽度,介质的介电常数,以及两层接地平面的距离都是可控的,则线的特性阻抗也是可控的,且精度在10%之内。来继续看图
这是我画的板子的层叠结构,其中TOP层和BOTTOM中的线就是微带线,而SIG1和SIG2中的线就是带状线。
现在问题就清楚了:我们经常听到在高速PCB中有人说做阻抗做阻抗,就是指的特性阻抗。这里要区分传输线的阻抗和特性阻抗,导线的阻抗指的就是俩表笔在导线两边一怼,测出来的值(粗暴的理解),而传输线的特性阻抗只在高频信号中才会出现,这个我们是无法测出来的(我不知道如何测试)只能通过公式来计算,但可以在PCB制作的时候对阻抗进行控制(见上文微带线概念),这也就PCB制作中说得做阻抗。
那么,我们为什么要做阻抗?为了减小信号的反射,为了信号的完整性。这就是阻抗匹配,阻抗匹配在不同的应用环境中有不同的匹配方式,我们不能一概而论,对于在高速PCB设计中,高速信号在传输过程中若有阻抗的变化就会产生反射,阻抗匹配就是指的传输线阻抗与信号源阻抗相等,传输线阻抗与负载阻抗相等,让信号在传输过程中保持阻抗不变。
这也就可以理解,我们在一些频率较高的信号中要在靠近信号源端的时候加串接电阻,有22欧的也有33欧的(取决于信号源的输出阻抗一般相加为50欧)在靠近负载端的时候也加并接电阻(DDR1的设计实例尤为突出)。就是为了保证传输线在输入端和输出端处于阻抗匹配的状态。
自己个人的理解,分享给大家,错误的地方还请大家批评指正。
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