高速 PCB板设计应注意事项之特性阻抗问题

从事过高速PCB设计的人都知道，一种好的叠层结构就能够作到对阻抗的有效控制，其走线可形成易懂和可预测的传输线结构。现场解决工具能很好地处理这类问题，只要将变量数目控制到最少，就可以得到相当精确的结果。

但是，当三个以上的信号层叠在一起时，情况就不一定是这样了，其理由很微妙。目标阻抗值取决于器件的工艺技术。高速CMOS技术一般能达到约70Ω；高速TTL器件一般能达到约80Ω至100Ω。因为阻抗值通常对噪声容限和信号切换有很大的影响，所以进行阻抗选择时需要非常仔细；产品说明书对此应当给出PCB板设计方面的指导。

现场解决工具的初始结果可能会遇到两种问题。首先是视野受到限制的问题，现场解决工具只对附近走线的影响做分析，而不考虑影响阻抗的其它层上的非平行走线。现场解决工具在布线前，即分配走线宽度时无法知道细节，但上述成对安排的方法可使这个问题变得最小。

值得一提的是不完全电源层(partial power planes)的影响。外层电路板设计上在布线后经常挤满了接地铜线,这样就有利于抑制EMI和平衡涂敷(balance plating)。如果只对外层采取这样的措施，则本文所推荐的叠层结构对特性阻抗的影响非常微小。

导致阻抗分析工具失败的另一个原因是分布式电容。这些分析工具一般不能反映引脚和过孔的影响(这种影响通常用仿真器来进行分析)。这种影响可能会很大，特别是在背板上。其原因非常简单：

特性阻抗通常可用下述公式计算：

√L/C

其中，L和C分别是单位长度的电感和电容。

如果引脚是均匀排布的，附加的电容将大大影响这个计算结果。公式将变成：

√L/(C+C")

C"是单位长度的引脚电容。

如果象在背板上那样连接器之间用直线相连，就可用总线路电容以及除了第一和最后一个引脚之外的总引脚电容。这样，有效阻抗就就会降低，甚至可能从80Ω降到8Ω。为了求得有效值，需将原阻抗值除以：

√(1+C"/C)

这种计算对于元件选择是很重要的。

EMC

EMC的影响因素很多，其中许多因素通常都没能得到分析，即使得到分析，也往往是在设计完成以后，这就太迟了。下面是一些影响EMC的因素：

电源层的槽缝会构成了四分之一波长的天线。对于金属容器上需开安装槽的场合，应采用钻孔方法来代替。

感性元件。我曾碰到过一位PCB板设计人员，他遵循了所有的PCB设计规则，也作了仿真，但他的电路板设计仍然有很多辐射信号。原因是：在顶层有两个电感相互平行放置，构成了变压器。

由于不完全接地层的影响,内层低阻抗引起外层较大的瞬态电流。

采用防卫设计可以避免这些问题中的大多数。首先应该作出正确的叠层结构和布线方略，这样就有了好的开始。

这里没有涉及某些基本问题，比如网络拓扑、信号失真原因和串扰计算方法；只是分析了一些敏感的问题，以帮助读者应用从EDA系统得到的结果。任何分析都要依赖于所采用的模型，分析不到的因素也会对结果产生影响。过于复杂就象太不精确一样，避免过多参量的变化，如印制线宽度等，有助于整齐、一致的设计。

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