PCB特性阻抗的原理与应用-YANTAT

2008.03PCB特性阻抗的原理与应用恩达电路（深圳）有限公司YanTatCircuit(SHENZHEN)CO.,LTD.----------工程部员工技能培训系列教材MerchantPrintedCircuitBoardManufacturer2一.定義1.導線中所傳導者為直流電(D.C.)時,所受到的阻力成為電阻(Resistance),代表符號為R,數值單位為“歐姆”(OHM,Ω),其與電壓電流相關的歐姆定律公式為:2.導線中所傳導者為交流電(A.C.)時,所遭遇的阻力稱為阻抗(Impedance),代表符號為Z,單位還是“歐姆”(OHM,Ω),其與電阻,電感,電容相關的公式為:3.電路板業界中,一般脫口而出的“阻抗控制”,嚴格來講並不正確,專業性的說法應該是“特性阻抗控制”(CharacteristicImpedanceControl)才對。因為電腦類PCB線路中所“流通”的“東西”並不是電流,而是針對方波訊號或脈衝在能量上的傳輸。此種“訊號”傳輸時所受到的“阻力”另稱為“特性阻抗”,代表符號是Zo。計算公式:式中L為電感值,C為電容值.不過Zo的單位還是歐姆.可見俗稱的阻抗控制,實際上根本不是針對交流電阻抗所進行的控制4.阻抗控制(ImpedanceControl):指在一高頻訊號之下,某一線路層(SignalLayer)對其相關層(ReferencePlane通常指最接近之接地層),其訊號在傳輸中產生的“阻力”須控制在一額定範圍內,方可保證訊號在傳輸過程中不失真。L/CZoIUR/22)(XCXLRZ3圖面詮釋OUTPUTDRIVERPACKAGEMODELCIRCUITBOARDTRANSMISSIONLINEPACKAGEMODELINPUTRECEIVERPCB元件間以訊號(signal)互傳,板面傳輸線中所遭遇到的阻力“特性阻抗”4二.PCB線路中傳輸的是什么?電路板發展40年以來已經成為電機、電子、家電、資訊、通訊(有線及無線)硬體必備的重要元件。早期資訊工業在運算速度還不是很快時,電路板只是一種方便零件組裝與導通互連的載板而已,因此板中佈線完全以導電為著眼點,設計與品管只要具備直流電與交流電的觀念即可!近年來板面元件之間的線路,在數字訊號(DigitalSignal)傳遞速度日漸增快之下,板中佈線還應將與電磁波有關的方波傳播觀念納入才對,於是原來簡單的導線,逐漸轉變成高頻類(射頻R.F.)與高速類(邏輯頻率L.F.)用途的複雜的傳輸線了!以终端產品工作頻率,及必須阻抗匹配的觀點來看,須做特性阻抗控制的電路板可粗分為兩類:高頻類(射頻R.F.)與高速類(邏輯頻率L.F.)1.高速邏輯類：（ＰＣ類）此類傳輸線在品質要求上要比傳統導線嚴格很多。不再僅僅要求OPEN/SHORT測試過關,或是缺口與毛頭未超過線寬的“20%”,就能“允收”的事。必須要求所測到的“特性阻抗”值,也應控制在公差之內才能出貨,否則只有報廢根本無法“重工”挽救。因此“特性阻抗控制”已成為“高速邏輯線路板”類的重點品保項目;（主機板，卡板．．．）三.特性阻抗控制的適用範圍52.高頻通信類：所謂高頻或“射頻”級的電子產品,是指與無線電之電磁波有關,以類比正弦波傳播的產品,如雷達、電視、廣播、手機、微波等。此類板因市場需求板量不大,國外對此類高端產品設限較嚴,加上板材特殊,資訊有限,以下將不對此類講解,不過隨著通訊產品的流行充斥,光纖通訊的大行其道,此類概念及技術亦將逐步導入。3.兩類電路板在特性方面的比較:HighSpeedLogic線路(PC類)射頻(R.F.)/微波(Microwave)線路*線路與佈局非常複雜*特性阻抗(Zo)的工差值較大*板材散失因數(Df)之工差較寬*非常要求輕薄短小*需求訊號層與電壓層的多層板*導體線路的尺寸工差較大*介質常數要求很低*線路與佈局很簡單*特性阻抗(Zo)的工差值很小*板材散失因數(Df)之工差嚴格*要求輕薄短小*只要單/雙面板*導體線路的尺寸工差非常嚴謹*介質常數要求很低6四.涉及的幾種電學原理1.直流電流(D.C.)的傳導原理;2.交流電流(A.C.)的傳導原理;3.方波式邏輯訊號的傳輸與傳播觀念;4.正弦波訊號的傳輸與傳播觀念COAXIAL同軸電纜(有線電視傳輸線)MICROSTRIP微條線STRIPLINE條線COPLANAR共面差動線7五.數字訊號與模擬訊號訊號在傳送的過程中會因為本身的衰減與外部的干擾而導致發送端與接收端產生或多或少的差異;數字訊號的發送與接收有一個編碼解碼的過程,訊號在發送前先依照一定的編碼規則對信息進行處理編碼排列,完成後再將其發送出去,在接收端接收到的信息並不是我們要的直接信息,需要依照同樣的編碼規則對信息進行解碼,處理之後才得到我們真正想要的訊息;數字訊號的意義是將訊息邏輯數字化,“0”就是“0”,“1”就是“1”,在傳送中產生的差異只要控制在一定範圍內,則發送端與接收端的信息碼就可以保證一致,從而保證了訊號不失真,因此又稱為邏輯訊號;模擬訊號不存在編碼與解碼的問題,因此在傳輸過程中因為訊號衰減或受到干擾而出現的差異將直接的表現在接收端,因此數字化是信息發展的必然趨勢!在編碼與解碼的過程中不容易出現問題,訊號傳送發生錯誤關鍵在傳送過程中訊號衰減或是受到干擾而發生變化,若變化超出邏輯判定的範圍,則接收端將收到錯碼,解碼後當然不是我們想要的訊息;因此減小訊息在傳送過程中的產生的差異及將其控制在一定範圍內是解決數字訊號誤碼的關鍵!8六.數字訊號如何實現如何在現實中產生和接收數字訊號,我們以“二進制”為例,因為“二進制”僅由“0”和“1”組成,在邏輯判斷上簡單,特別利於信號的接收;利用硬體中瞬間變化的電壓,以高電壓代表邏輯“1”,以低電壓代表邏輯“0”,兩者之間快速的“切換”可以形成脈衝,產生由“0”與“1”組成的數碼列,將信息以上述方式定義,即可完成信息轉換為數字化;八位十六位三十二位六十四位……..的涵義(訊息處理的能力,二進制信息碼的長度;電壓的切換有一個延緩時間Tr,若Tr愈短,則切換速度越快,即時鍾速率(ClockRate)愈快,也就是每秒鐘所切換的次數越多,若不考慮變換所耗費的時間,則可將訊號假想為“方波”;01010001011101111011四位元八位元八位元時鐘頻率數字訊號9早期的硬體工作電壓定位12V,後在切換頻率增大而必須縮短Tr之下,其“0”與“1”的電位差已縮小為5V。目前個人電腦高速CPU之CMOS或TTL或邏輯晶片,其工作電壓更低至3.3V,將來還會更低,以方便縮短Tr以加快時鍾頻率;Tr與頻率(f)之間的常數關係式:上述利用0V、3.3V分別代表邏輯“0”、邏輯“1”時,其二者均會因為傳輸線的不夠完美,而出現不太穩定的電壓震盪值,例如低電壓的0.1伏特、0.15伏特、0.21伏特或高電壓的3.1伏特、3.2伏特、3.5伏特等,給邏輯判定帶來困難,當此等誤差不大,電腦系統尚可判讀,則還可以接收為有效訊號,一旦誤差值變大會成為不良雜訊,可能造成判讀錯誤,將影響整體工作,嚴重時將導致系統癱瘓(當機)。ど丁TrTf丁玡絫絫糴1009050100碩(%)┪筿溃fTr/.35010七.訊號傳輸與傳輸線1傳輸線的定義:由電磁波的學理可知,波長(λ)愈短時,頻率(ƒ)愈高,二者乘積即為光速(以C表示),其數學關係式如下,又如某電磁波訊號在系統中傳播之時鍾頻率高達300MHZ時,其波長可計算如下:由IPC-2141在3.4.4節中說明,『凡訊號在導線中“傳播”時,若該導線之長度接近訊號波長的1/7時,則該導線即應被視為傳輸線』，亦有文獻認為此經驗值為1/10。前例訊號波長的1/7應為14.28cm,故該300MHZ訊號在PCB線路中傳播時,一旦線長超過14.28cm時,該線路即應按“傳輸線”處理,而不再只是一般導電用的導線了。也就是必須要注意到傳輸線在“特性阻抗”上與元件匹配的問題。PCB的“傳輸線”是由訊號線、介質層、參考層三者所共同組成,缺一不可。cmcmfc1001031031810secsec/旧猧恨(WaveGuide)PCB癟腹絬TV蛮ぱ絬禸筿苐25~10010~120100~30050~100盽ǎ肚块絬ぇ疭┦к112.傳輸速率與介質常數由電磁波理論可知,訊號在介質中的傳輸速度(Vp)與光速成正比,與其介質常數成反比,即:在電路板中,不同的板材有不同的介質常數,若PCB上的導線被視為“傳輸線”時,其訊號傳播速度將大受板材ﻉr影響。我們常用的FR-4板材,在30MHZ之頻率下測量時,所得相對透電率(界電常數ﻉr)為4.1,其訊號線傳輸速度為:rPcV因空氣的界質常數為1,故電磁波在空氣中的傳播速度等於光速,亦即11.76in/nsec。sec],ec.......[nssec/..cP81082514即為納秒ninV贺ぃ狾肚块硉癸ゑMATERIAL狾硉1(in/nsec)硉2(psec/in)Air1.011.7684.9PTEE/Glass2.27.95125.8RO28002.96.95143.9CE/Customply3.06.86147.0BT/Customply3.36.50154.0CE/Glass3.76.12163.0SiliconDioxide3.95.97167.0BT/Glass4.05.88170.0Polyimide4.15.82172.0FR-4/Glass4.15.82172.0GlassCloth6.04.70212.0Alumina9.03.90256.0r12八.減小訊號傳輸產生的差異1.傳輸線愈短,延誤愈小;之前的PentiumPro的CPU時鐘頻率超過200MHZ(Pentium4其時鍾頻率已超過3GHZ),但這是就元件本身的作業速度而言。一旦組裝在主機板上完成系統產品之後,其速度將只剩下66MHZ而已。原因是訊號進入板面線路之後,就會因介質對高訊號能量之散失關係而急速變慢。因而PCB的互連線路不宜太長,以減小訊號的延誤與衰減。高速邏輯元件之組裝,甚至還要儘量彼此靠近，或儘量趨近對外互連的連接器。第六代PC的PentiumPro即將各高速元件集中在Pro-Card上即為一例。LowspeedlogicMediumspeedlogicHighspeedlogicConnector123456612182430481216001003004006007008009001000150020003000500010,000SYSTEMFAEQUENCY(MHZ)DELAY(ns)PWBLengthConnectorlengthINCH1GHZswitchingdevicesInfiniteswitchingspeedDevices系統元件中的切換速度本來很快,但到了PCB時就會變慢,且線越長就愈慢!當PCB必須對外互連時,應將高速元件安置在藉口附近,以減短線長132.密集佈線時介質層越薄則雜訊愈少因導體中出現電流時也會產生磁場,電流方向與磁力線平面互補垂直。一旦相鄰兩銅線之磁力線糾纏在一起時,將出現雜訊。此時可逼薄其介質層以消除雜訊。(四層主機板多用2116一張作其介質層)3.避免平行減短長度板面的密集平行線,在電容電感作用下會造成串擾。除可另外加裝元件予以改善外,板子前後兩面應採彼此垂直的佈線法。同一板面之密集線路還可另採階悌式斜向佈線,以減少平行長度消除串擾。在四面接腳的SMT大型IC,其平行密腳之間,也呈現電感與電容的串擾,改成BGA球腳封裝體後,在電性上自然改善很多!由單一直流線路左手定則可知,導線周圍會產生磁場,一旦佈線太密則磁場會互相干擾而產生雜訊。若將介質層逼薄後,則磁力線可導入大地中而得以減少雜訊!14九.阻抗控制與製程及板材的關係1.為何要控制特性阻抗值電腦在操作時,驅動元件所發出的訊號,將通過PCB傳輸線到達接受元件。該方波訊號在多層板的訊號線中傳播時,其“特性阻抗”值必須要與頭尾元件的“電子阻抗