[整理]PCB阻抗控制

之前一直听说PCB设计中信号完整性及阻抗方面的要求，但是本人对此还是有很多的不了解，每次和别人讨论到这里后就不知道该怎么继续就这个问题交谈下去。正巧最近手头有一点工作有这方面的一些需求，就拿来花了一点时间认真的了解了一下。自我感觉只是了解到了冰山一角，在此吧所了解到的知识进行下摘抄总结，后续有新知识再进行跟进。

本文主要讲述了PCB的阻抗控制，资料源自互联网，出处附于其后。

阻抗及其影响因素

阻抗控制（eImpedace Controling）,线路板中的导体中会有各种信号的传递，为提高其传输速率而必须提高频率，线路本身若因蚀刻，叠层厚度，导线宽度等不同因素，将会造成阻抗值的变化，使得信号失真。故在高速线路板上的导体，其阻抗值应该控制在某一范围内，称谓“阻抗控制”。

在实际情况中，一般数字信号边沿低于1ns或者模拟频率超过300MHz时就需要控制阻抗了。印制电路板上导线的特性阻抗是电路板设计的一个重要指标，特别是在高频电路的PCB设计中，必须考虑导线的特性阻抗和器件或信号所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。

PCB迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定。影响PCB走线的阻抗的因素主要有: 铜线的宽度、铜线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、焊盘的厚度、地线的路径、走线周边的走线等。PCB 阻抗的范围是25至120欧姆[1]。注：本文大部分参考自[1]，在此对原作者表示感谢。

在实际情况下，PCB传输线路通常由一个导线迹线、一个或多个参考层和绝缘材质组成。迹线和板层构成了控制阻抗。PCB将常常采用多层结构，并且控制阻抗也可以采用各种方式来构建。但是，无论使用什么方式，阻抗值都将由其物理结构和绝缘材料的电子特性决定：

信号迹线的宽度和厚度
迹线两侧的内核或预填材质的高度
迹线和板层的配置
内核和预填材质的绝缘常数

这里需要注意了解的是，阻抗控制/匹配主要是指信号层与相邻的参考平面层之间。

PCB传输线和叠层

PCB的传输线主要有两种：微带线（Microstrip）与带状线（Stripline）。

简单来说，微带线是顶层或者底层的传输线。带状线是置于两个参考平面之间的带状线，即内层走线。

文中所说的平面一般为电源平面或者地平面。参需要注意的是：在实际的PCB制造中，通常都会在PCB板表面覆了一层绿油，因此在实际的阻抗计算中，通常使用带有绿油的模型计算（此部分后面详细说明）。

微带线和带状线的区别[2]

单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。
因为微带线(microstrip)一面是FR4（或者其他电介质）一面是空气（介电常数低）因此速度很快，利于走对速度要求高的信号（例如差分线，通常为高速信号，同时抗干扰比较强）。
带状线(stripline)两边都有电源或者底层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽较好，但是信号速度慢些。
通常同样的介质条件微带线(microstrip)的损耗小（线宽），带状线(stripline)的损耗大（线细，有过孔）。

PCB传输线说明
在很多的资料中，都提到了PCB传输线的横截面是一种类似梯形的结构（其形成的原因是PCB制版的过程是从上向下腐蚀形成的，因此横截面呈现梯形）。

如上图所示，其中为工程软件绘制中设置的线宽，W1为横切面上边缘长度，其计算方法为W1 = W - A，其中有关于变量A，存在如下的一个查找变关系。

其中H OZ，1 OZ表示PCB铜箔的厚度单位，1 OZ（盎司）的厚度大约在1.35(1.4)mil，H OZ表示半(Half)盎司，即0.5 OZ。

至于为什么使用OZ作为铜箔厚度单位，具体也不是很清楚，但是在这里查找了部分资料简单的做个说明如下[3]。

在PCB行业中，1 OZ意思是重量1 OZ的铜均匀平铺在1平方英尺（FT2）的面积上所达到的厚度。它是用单位面积的重量来表示铜箔的平均厚度。用公式来表示即，1 OZ = 28.35 g/FT2。

具体来说，它和长度也可以说厚度的换算方法如下：

首先，我们知道铜的密度常数和相关单位换算公式如下：
铜的密度ρ=8.9g/cm3
1 mil ≈ 25.4 um
1 FT2 ≈ 929.0304 cm2
1 mil ≈ 25.4um
根据质量的计算公式m＝ρ × V ＝ρ × S × t（厚度），知道铜箔的重量除以铜的密度和面积即为铜箔厚度！
从前文又知，1 OZ = t × 929.0304 cm2 × 8.9 g/cm3 = 28.35 g/cm2
所以，t = 28.35 ÷ 929.0304 ÷ 8.9 cm ≈ 0.0034287 cm ≈ **1.35mil**
由此可知，1 OZ铜箔的厚度约为35 um或者1.35 mil。

PCB阻抗计算

由于PCB的阻抗计算很复杂，需要考虑的因素太多，为了初期的简单方便我们在此使用软件进行阻抗的计算，手动寻找到一个合适点。另外也是由于还没有找到如何使用公式来进行计算，后续找到后再进行文章内容的补充。

计算PCB阻抗的软件读者可以自行查找下载，在此推荐两个，Polar公司的CITS25和SI9000。其中CITS25足够轻量，界面也很简洁，需要说明的一点，CITS25软件中所填数值的单位为mil。SI9000更加专业而且其中的模型也更多，单位也可以自由选择，更加灵活。

有关如何使用两个软件进行阻抗的计算，这些本文中不进行叙述，若有此方面阅读需求，可以点此跳转详细了解其如何上手使用。

通过阻抗计算，我们所能确定的有：阻抗大小、各层使用基材以及各个层的厚度。这些也是我们在制板时和厂商所约定的要求。