PCB板阻抗控制模型的研究

摘 要：對于PCB生產，傳輸線特性阻抗測量十分重要。在電路板中，只有在阻抗良好匹配的情況下，才能保證信號傳輸的穩定性，保證數據質量。文章選取四種典型跡線類型，研究其阻抗控制模型，并將構建的計算模型與二維場求解器計算結果比較，驗證其計算效果。

關鍵詞：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，再根據不同的類型計算各個類型相關參數。阻抗控制就是為了反映構成電路板的各要素與傳輸線特性阻抗間的關系，亦即電路板的物理尺寸和PCB填充介質介電常數與傳輸線特性阻抗之間的關系。影響電路板阻抗值的關鍵參數有：跡線的寬度、跡線的厚度、介質的介電常數、介質的厚度、差分線的間距、覆銅厚度等。在沒有場求解器的情況下，論文著重討論PCB板物理尺寸和介電常數與傳輸線阻抗值之間的關系及其影響，并與二維場求解器的計算結果比較。

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（高速數字系統設計）一書中給出了在沒有場仿真器的情況下，微帶線單端阻抗的精確計算公式[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如圖1所示。

其給出的公式結構復雜度較高，不便于將各個參數分離出來單獨計算，IPC標準規范將這一公式簡化。IPC-D-317A，Design Guidelines for Electronic Packaging Utilizing High-Speed Technique（高速電子封裝設計指南）提出了簡化的表面微波傳輸線阻抗計算公式[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參考面的傳輸線。此處帶狀線單端阻抗模型的建立是針對對稱帶狀線而言的，亦即信號線與上下兩個參考面的距離相等。同樣，在由Stephen H. Hall，Garrett W. Hall，James. McCall主編的High-Speed Digital System Design（高速數字系統設計）一書中有提到，在沒有場仿真器的情況下，對稱帶狀線的精確計算公式[1]。對稱帶狀線阻抗公式中使用的尺寸參數如圖所示。

對稱帶狀線的阻抗計算公式復雜度較高，不便于將各個參數分離出來單獨計算，IPC標準規范推薦了一個對稱帶狀線的簡化計算公式[2]。對稱帶狀線的阻抗簡化計算公式如公式（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傳輸線包裹在絕緣介質中，和表面傳輸微帶線一樣只有一個參考面。Douglas，Brooks在Printed Circuit Design給出了嵌入式微帶線的阻抗計算公式[3]。嵌入式微帶線單端阻抗公式中使用的尺寸參數如圖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稱帶狀線的情況。計算帶狀線的差分阻抗，只有一種有用而且合理的近似計算方法，他最早由James Mears在國際半導體應用手冊（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稱帶狀線是同一線型。邊緣耦合對稱帶狀線阻抗公式中使用的尺寸參數如圖4所示

對于任何經過仔細布線的差分信號線，其差分阻抗都比2Zo小。其中Zo是每一條走線的單端阻抗。邊緣耦合對稱帶狀線的阻抗計算公式如公式（4）所示。

5 結束語

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

參考文獻

[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.