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我們做電子設(shè)計(jì),，遇到高速電路時(shí)會(huì)遇到很多問(wèn)題,，也會(huì)有很多新名詞，比如：過(guò)沖,，下沖,，時(shí)延，阻抗,，反射等,，經(jīng)過(guò)我的反復(fù)思考與研究，得到一些心得,，跟大家一起分享,。

隨著信號(hào)傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應(yīng)用，對(duì)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(hào)在傳輸過(guò)程中不發(fā)生反射現(xiàn)象,，信號(hào)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(wú)干擾,、噪音低的傳輸信號(hào),。

在高速數(shù)字電路的PCB設(shè)計(jì)上，我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品不管是用到DDR2,，還是DDR3內(nèi)存,，不管是PCIE差分還是SATA傳輸，都用到了高速PCB設(shè)計(jì)技術(shù),，而我們所設(shè)計(jì)的PCB用了阻抗控制技術(shù)后,，基本上沒(méi)有出現(xiàn)是PCB問(wèn)題跑不通的情況。要理解高速信號(hào)的設(shè)計(jì)知識(shí),，先要從一些基礎(chǔ)電子知識(shí)說(shuō)起,。

導(dǎo)體中的自由電子在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)形成電流。電流方向只是物理學(xué)中約定俗成的一個(gè)規(guī)定,物理上規(guī)定電流的方向是正電荷的定向移動(dòng)的方向或者負(fù)電荷的定向移動(dòng)的反方向,。電流的速度不是電子運(yùn)動(dòng)速度,，而是電場(chǎng)的速度,。

圖1：PA6000功率分析儀的電磁抗擾度測(cè)試

圖2：定向移動(dòng)的電子

電信號(hào)的傳播速度是與導(dǎo)體周?chē)慕橘|(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的，電信號(hào)在真空中（指導(dǎo)體周?chē)容^大的范圍內(nèi)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(zhì)中,，它的傳輸速度是不一樣的，如果相對(duì)介電系數(shù)是 Er ,，則傳播速度為 30/Er^0.5,。例如，在水中,，水的相對(duì)介電系數(shù)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，F(xiàn)R4的相對(duì)介電系數(shù)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(xiàn)的特征阻抗,，又稱(chēng)為特性阻抗，是我們?cè)谶M(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)提到的一個(gè)概念,。信號(hào)在傳輸線(xiàn)中傳輸?shù)倪^(guò)程中,，在信號(hào)到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線(xiàn)和參考平面之間會(huì)形成電場(chǎng),，由于電場(chǎng)的存在,，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線(xiàn)中的每一點(diǎn)都存在,。同時(shí)信號(hào)也存在一定的電壓,，這樣在信號(hào)傳輸過(guò)程中，傳輸線(xiàn)的每一點(diǎn)就會(huì)等效成一個(gè)電阻,，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線(xiàn)的特征阻抗,。這里一定要區(qū)分一個(gè)概念，就是特征阻抗是對(duì)于交流信號(hào)(或者說(shuō)高頻信號(hào))來(lái)說(shuō)的,，對(duì)于直流信號(hào),，傳輸線(xiàn)有一個(gè)直流阻抗，這個(gè)值可能會(huì)遠(yuǎn)小于傳輸線(xiàn)的特征阻抗,。一旦傳輸線(xiàn)的特性確定了(線(xiàn)寬,，與參考平面的距離等特性)，那么傳輸線(xiàn)的特征阻抗就確定了。一般的PCB走線(xiàn)特征阻抗計(jì)算公式：Z0≈ (L/C)^0.5
其中L是單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的固有電感,，C是單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的固有電容,。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式我們能看出來(lái)，要改變傳輸線(xiàn)的特征阻抗就要改變單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的固有電感和電容,。

根據(jù)以上公式,，這樣我們就能更好的理解影響傳輸線(xiàn)特征阻抗的幾個(gè)因素：

下面再以圖示的方法說(shuō)明下,，傳輸線(xiàn)是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng),，它的每一段都具有分布電容、電感和電阻,。傳輸線(xiàn)的分布參數(shù)通常用單位長(zhǎng)度的電感L和單位長(zhǎng)度的電容C以及單位長(zhǎng)度上的電阻,、電導(dǎo)來(lái)表示，它們主要由傳輸線(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)和絕緣介質(zhì)的特性所決定的,。分布的電容,、電感和電阻是傳輸線(xiàn)本身固有的參數(shù),，給定某一種傳輸線(xiàn),，這些參數(shù)的值也就確定了，這些參數(shù)反映著傳輸線(xiàn)的內(nèi)在因素,，它們的存在決定著傳輸線(xiàn)的一系列重要特性,。傳輸線(xiàn)的等效電路是由無(wú)數(shù)個(gè)微分線(xiàn)段的等效電路串聯(lián)而成。

圖3：傳輸線(xiàn)模型1

在上圖里,，以t1時(shí)間段來(lái)說(shuō),，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(hào)從低電平變高電平高電平，它不是整條導(dǎo)線(xiàn)上一下子就變?yōu)楦唠娖搅?，而是像錢(qián)塘江大潮漲潮或波浪推進(jìn)時(shí),，是有一個(gè)過(guò)程的。錢(qián)塘江大潮來(lái)后,，就把江面從低水位變到高水位了,，波浪是一個(gè)一個(gè)的來(lái)，就像高頻信號(hào)不停的傳輸,。信號(hào)電場(chǎng)也如潮水一樣,，它是后面的推前邊的，前面的繼續(xù)向前,。

圖4：潮水在向前推進(jìn)

圖5:波浪在傳播

在導(dǎo)線(xiàn)上的一個(gè)固定地點(diǎn),，它的電平是如潮頭逐漸上升的，這個(gè)上升的波形,，就是我們平?？梢杂檬静ㄆ鳒y(cè)量的上升沿，這個(gè)上升沿有快有慢,，高速信號(hào),，需要上升沿和下降沿都要快，否則電平還沒(méi)到,，下一個(gè)信號(hào)電平又來(lái)了,。而低頻信號(hào)并不等于上升沿下降沿就平緩，它也可以比較陡,。低頻信號(hào)如果上升沿和~下降沿比較陡的,，也要當(dāng)高頻信號(hào)來(lái)處理。

圖6：傳輸線(xiàn)模型2

     我們可以這樣來(lái)簡(jiǎn)單理解信號(hào)傳播與信號(hào)回路問(wèn)題,，一個(gè)信號(hào)在導(dǎo)體里傳播,，它就要受到導(dǎo)體_上電阻的衰減，電感的阻礙,，給寄生電容充電和介質(zhì)漏電等,。微分導(dǎo)線(xiàn)后可見(jiàn)，信號(hào)峰頭到這里來(lái)后,，由于給寄生電容充電和介質(zhì)漏電,，它就會(huì)沿傳播路徑下的參考平面有一個(gè)返回電流，然后到下一個(gè)微分點(diǎn),，電流又返回到前一個(gè)點(diǎn),，這個(gè)信號(hào)還未傳到終點(diǎn)前,，沿導(dǎo)線(xiàn)的傳播路徑的返回電流一直存在，等信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)后,，整個(gè)通路建立平衡后,，返回路徑才從信號(hào)最好走的(最短路徑，最小電阻)路徑返回,。

低速信號(hào)的信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間和高速信號(hào)一樣,，但它兩個(gè)信號(hào)間時(shí)間比較長(zhǎng)，信號(hào)推進(jìn)時(shí)從導(dǎo)體路徑返回電流,，平衡后從最短路徑返回,。而信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)周期，所以大部分電流從最短路徑返回了,。

圖7：低速信號(hào)地回路路徑

高速信號(hào)和低速信號(hào)不一樣,，它的波形一個(gè)接一個(gè)的，所以絕大部分返回電流從信號(hào)傳播路徑返回,。

圖8：告訴信號(hào)地回路路徑

前面說(shuō)過(guò),，在FR4的相對(duì)介電系數(shù)為4的PCB中，  信號(hào)傳播速度是約為15 cm/ns,。如果我們以15cm長(zhǎng)的導(dǎo)體來(lái)傳信號(hào),，信號(hào)從這頭傳到那頭就要1ns的時(shí)間，一個(gè)500MHz的時(shí)鐘信號(hào)在里面?zhèn)鞑?  就是一個(gè)波的峰頭還沒(méi)到,，第二波形又發(fā)出去了,。這樣一個(gè)波一個(gè)波的傳過(guò)去，返回的電流一直從傳播路徑上走,。

信號(hào)傳播,，也相當(dāng)于在給沿途的寄生電容充電，寄生電容的負(fù)端就有返回電流了,。

圖9：耦合產(chǎn)生寄生電容的返回模型

     我們?yōu)槭裁匆v返回路徑,，返回路徑是信號(hào)傳播的原動(dòng)力，只有讓返回路徑暢通,，信號(hào)傳播途中才有電壓差,，才使信號(hào)向前走。所以返回路徑是電子電路必不可少的,，是設(shè)計(jì)PCB特別是高速電路一定要考慮的,，否則，就有串?dāng)_,，反射,，過(guò)沖,，波形畸變等各種情況產(chǎn)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子,。

在下圖中,，是單端導(dǎo)線(xiàn)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(gè)梯形面，這三個(gè)參數(shù)組成的就是導(dǎo)體截面,，實(shí)際阻抗與導(dǎo)線(xiàn)截面積成反比,。也就是說(shuō)，特性阻抗是與導(dǎo)體截面積,、導(dǎo)體到參考平面的距離和導(dǎo)體到參考平面間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)的,。

圖10：導(dǎo)線(xiàn)與參考面截面

我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB板時(shí),，設(shè)計(jì)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,。參考平面可以是地層，也可以是電源層,，以地為參考層更好,。

圖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(yuǎn)遠(yuǎn)大于. (三倍以上) PP片2的厚度時(shí),，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(shí)，你用阻抗計(jì)算軟件算第三層或第四層信號(hào)線(xiàn)的阻抗,，你用微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的模型去計(jì)算,，計(jì)算的結(jié)果相差不大。

用這個(gè)比喻大家就明白了,，月亮到地球的距離是38萬(wàn)公里,，地球到太陽(yáng)的距離是1.5億公里，太陽(yáng)的質(zhì)量和體積都比地球大得非常多,，但對(duì)月球的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及地球,，原因就是月亮到地球的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于到太陽(yáng)的距離,。所以大家在對(duì)待多層數(shù)復(fù)雜電路板的時(shí)候，找好一個(gè)參考層,，讓其它層遠(yuǎn)離這個(gè)信號(hào)層,，讓指定的這個(gè)參考層為主影響，這時(shí),，我們?cè)O(shè)計(jì)的阻抗疊層模型就要簡(jiǎn)單很多,。

圖12：六層板疊層

     參考層要完整覆蓋信號(hào)走線(xiàn)，中間斷面或打孔過(guò)多造成隔斷,，都會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量,。但很多時(shí)候?yàn)榱顺杀究紤]用合理的層數(shù)，信號(hào)要換層,，參考面也可能是兩個(gè)電源平面,，  中間是分?jǐn)嗟模@時(shí)就要有方法處理下,。信號(hào)線(xiàn)換層時(shí),，也要考慮返回電流的回路，  所以參考層變了,，也要把回路聯(lián)通,，對(duì)于參考層不是一個(gè)電平的，要在兩個(gè)電平參考層間加電容連接,，如下圖:

圖13：信號(hào)線(xiàn)穿過(guò)兩個(gè)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(shí)就加電容來(lái)連接。電容有通交隔直的作用,，在兩個(gè)不同電平的參考面間加電容,，給高頻信號(hào)- -個(gè)返回通路，也使阻抗不連續(xù)變好一些,。

上面講了一部分阻抗設(shè)計(jì)知識(shí),，當(dāng)然這些知識(shí)是我們平常很少注意的地方，也從另一個(gè)側(cè)面來(lái)理解阻抗,。要徹底搞懂阻抗知識(shí)及用好它,，我們還有很多知識(shí)點(diǎn)需要補(bǔ)充，這些知識(shí)點(diǎn)很容易在書(shū)本_上看到的,，也要花很多功夫?qū)W習(xí),。

做PCB設(shè)計(jì)，把元件布好和連接好導(dǎo)線(xiàn)只算低層次,。要想你設(shè)計(jì)的電路板可靠地工作,，還有非常多的知識(shí)要補(bǔ)充學(xué)習(xí),，再靈活應(yīng)用。

你不想搞懂高深的理論知識(shí),，下面說(shuō)一下簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法,，也可以讓你設(shè)計(jì)的高速PCB電路達(dá)到阻抗要求,。你在設(shè)計(jì)PCB時(shí),，單端信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)寬度設(shè)置成一個(gè)寬度，差分(雙端)走線(xiàn)設(shè)置為另一寬度,，電源線(xiàn)等過(guò)電流的線(xiàn)按電流要求又設(shè)置成其它寬度,。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如單端線(xiàn)寬設(shè)為5mil,，差分的設(shè)

為4.5mil,線(xiàn)間距都為5mil,，當(dāng)然還要考慮參考平面。這樣,，你在發(fā)板要求里給生產(chǎn)廠(chǎng)家說(shuō)明,，說(shuō):線(xiàn)寬為5mil的都給做成50歐姆阻抗，線(xiàn)寬為4.5mil的為差分線(xiàn),， 做成100歐姆阻抗就行了,。這里說(shuō)明的是每種阻抗做一種寬度，生產(chǎn)廠(chǎng)家就會(huì)按你的要求給你計(jì)算生產(chǎn)成你要的阻抗要求了,。當(dāng)然,，你做的線(xiàn)寬還是要先用阻抗計(jì)算軟件計(jì)算下，誤差大了,，生產(chǎn)廠(chǎng)家給你調(diào)整不了的,。

簡(jiǎn)單說(shuō)明就是，你是不同的阻抗用不同線(xiàn)寬,，他們就會(huì)把這個(gè)線(xiàn)寬選擇出來(lái)調(diào)整,，他們可以改變線(xiàn)寬、線(xiàn)間距,、介質(zhì)材料,、銅厚度、介質(zhì)厚度等來(lái)滿(mǎn)足阻抗要求,。在設(shè)計(jì)之前也要多和廠(chǎng)家溝通,，調(diào)整設(shè)計(jì)元素，減少?gòu)S家的調(diào)整難度,。

任何一門(mén)知識(shí)都不是單獨(dú)存在的,，它都和其它知識(shí)組成系統(tǒng)知識(shí)，只有在相關(guān)知識(shí)上都了解的情況下,，再融合貫通,，靈活運(yùn)用,，才能做出好的作品來(lái)。