高速PCB计中的阻抗控制.docx

高速数字电路PCB设计中的阻抗控制（转载）随着半导体工艺的飞速发展，IC器件集成度和工作时钟频率不断提高。以往在一块比较复杂的PCB上的高速网线只有几根或几十根，现在则是在一块PCB上只有几根或几十根网线不是高速信号线；以往认为数字电路设计只要把握逻辑正确，物理连线似乎只要连接上就能使电路正常工作；而现在越来越多的电子产品设计体现出高速、高性能、高密度和高复杂度的特点，尤其在通讯、计算机、航空航天以及图象处理等领域。系统的主频越来越高，更加严重的挑战来自半导体工艺技术的进步，日渐精细的工艺技术使得晶体管尺寸越来越小，因而器件的信号跳变沿也就越来越快，从而导致更加严重的高速数字电路系统设计领域的信号完整性问题：传输线效应(反射、时延、振铃、及信号的过冲与欠冲)、信号问串扰等。为此，电子系统设计师必须从传统的设计方法向现代的电子系统设计方法转变，这既是形势需要，也是发展的必然趋势。1 高速数字电路概念1．1 什么是高速数字电路??? PCB上的高速电路设计，主要是以器件和连接器件的印制线为主要分析对象的。以往在器件的时钟频率不是很高、时钟的上升或下降沿变化不是很陡的情形下，可以用集总参数的形式来表示印制线，而当器件的时钟频率变得很高时(比如：超过50MHz)，时钟的上升或下降沿很小时(一般地在1ns～5ns之间)，这时就不能将印制线用集总参数来表示，必须引入分布参数来表示印制线特性，这就是传输线的概念(图1)。关于传输线的分析是高速PCB设计当中最基本也是最核心的部分，下面简要介绍传输线的定义和高速电路设计相关的一些概念。??? 国际上通常对PCB上的传输线没有确切的具体定义，现在被大家普遍接受的约定如下：即当信号从驱动端到接收端的印制线上的延时大于等于上升或下降沿的l/ 时(即Tpd≥0.5Trist(Tfdl))。这时就必须将此印制线当成传输线来分析，更为保守一点的定义是信号在走线上传播延时或。1.2 PGB的板层材料和板层结构??? 图2所示是一个标准6层PCB的断面层结构示意图，其它多层PCB的层设置与此相似。在PCB上的印制线所形成的传输线基本上有两种形式，即微带线 (Microstrip)和带状线(Stripline)。带状线又分为对称性带状线和非对称性带状线。在上面的示意图中，顶层和底层形成微带线传输线 (图4)，中间的3、4层形成带状传输线（图5）。2 PCB上的高速电路传输线阻抗计算及阻抗控制2．1 传输线的等效模型??? PCB板上的传输线可等效为图3所示的串联和并联的电容、电阻和电感结构(RLGC模型)。串联电阻的典型值0．25-O.550hms／foot,因为绝缘层的缘故，并联电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容和电感加到实际的PCB传输线中之后，传输线上的最终阻抗称为特征阻抗ZO。线径越宽，距电源/地越近，或隔离层的介电常数越高，特征阻抗就越小。??? 图3所示即长度为dz的传输线的等效模型，根据此模型推导出的传输线的特征阻抗为：??? ??? L：每单位长度传输线上的电感；??? C：每单位长度传输线上的电容。2．2 PCB上的传输线的阻抗和延时计算公式??? 根据图4得出微带线的阻抗及单位长度延时计算公式：??? ??? 根据图5得出对称带状线的阻抗及单位长度延时计算公式：2．3 传输线的阻抗控制布线规则??? 从上面的分析可知，阻抗和信号的单位延时与信号的频率没有任何关系，它们只是与PCB的板层结构、材料的相对介电常数、走线的物理特性(线宽与线的厚度) 有关。这些结论对于认识高速PcB和进行高速PcB设计尤其重要。其次信号传输线在外层的传输比在内层的传输快，所以在安排关键网线的布线时，要将这些因素考虑在内。??? 从前面高速电路的特性分析可以得出，阻抗控制是实现良好的信号传输的重要前提。而从PCB的层结构和传输线的阻抗计算公式可见，同样的一根阿线，当线宽和走线的特性不改变时，其线的阻抗值只取决于PCB的材料、层结构特性。这样，当同一根网线走在不同的PCB层面上时，其阻抗值将发生改变。而这在高速电路设计当中是不允许的。??? 我们设计了一个密度非常大的高速PCB板，板上绝大部分信号都有阻抗要求。如CPCI信号线要求65ohms，差分信号要求1000hms阻抗，其他信号均按500hms。而从PCB走线空间要求考虑，必须至少要lO层信号走线。最终确定为一个16层PCB的设计方案。??? 因为该板总厚度不能超过2mm，所以叠层设计有一定的难度。而且还要考虑几个叠层的问题：??? l．每个信号层都要有参考平面相邻，能保证其阻抗和信号质量；??? 2．每个电源层都要有完整的地平面相邻，使得电源的性能得以较好的保证；??? 3．层的堆叠要求平衡，避免出现板翘曲。??? 介质的介电常数取4．3计算。通过上述叠层方案的