PCB设计中的阻抗简介

随着 PCB 信号切换速度不断增长，当今的 PCB 设计厂商需要理解和控制 PCB 迹线的阻抗。相应于现代数字电路较短的信号传输时间和较高的时钟速率，PCB 迹线不再是简单的连接，而是传输线路。
什么是控制阻抗？
可能最常见的控制阻抗组件示例是连接无线设备或电视接收天线的馈线。天线馈线通常使用“扁平双缆”的线缆形式（一般随 VHF 广播接收器提供）或低衰减的同轴电缆。无论采用哪一种形式，馈线的阻抗都是由物理尺寸和线缆材质控制的。
您可以将 PCB 迹线当做较短的线缆，它们精确的布放在线路板上连接板上安装的各个设备，其中的 PCB 迹线类似同轴电缆内部的导体，承载信号并与其返回线路（本例中是接地层）通过线路板叠层板绝缘。在微波传输带配置下，这一情况如图 中的交叉部分所示。
迹线宽度 W 和 W1、厚度 T 和叠层板高度 H 以及绝缘常数 Er 都必须严格控制。表面上的焊点将略微减小阻抗，因此经常采用如图 显示的更加容易预测的带状线配置。
为什么需要控制阻抗？
接收天线拥有自然的或特性阻抗，电子理论表明为了使用天线将最大的功率传输给接收器（确保电子信号的完整性），馈线和接收器的阻抗都应该和天线相匹配。换而言之，在信号从其来源到目标的传输过程中，信号阻抗在理想情况下应该表现为常量。如果出现不匹配的情况，则将只能发送部分信号，其余的信号将被反射回到信号源（使信号减弱）。线缆设计厂商因此要特别确保线缆长度和材质特性的精度和一致性。使用较高的信号切换速度，必须考虑线缆的电子属性，例如电容和电感系数，而且也不能将线缆视为简单的导线。设计用于高速信号的线缆时考虑了这些因素的相应线缆应该称为传输线路。
PCB 上的控制阻抗
同样，随着 PCB 上的信号切换速度的不断增长，承载信号的迹线的电子属性将变得愈加重要。PCB 迹线的阻抗由以下因素控制
        ● 配置
        ● 尺寸（迹线宽度和厚度、线路板材质的高度）
        ● 线路板材质的绝缘常数

在使用线缆时，当信号遇到由材质或几何尺寸上的改变引起的阻抗变化时，部分信号将被反射回去，部分信号被传送到目标。这些反射可能导致信号失常，进而降低电路的性能（例如低增益、噪声和随机错误。）线路板设计厂商在实际中将指定线路板迹线的阻抗值和误差，并依靠 PCB 制造商来遵循相应的规范。
测试 PCB
大部分控制阻抗的 PCB 要经历 100% 的测试。但是，对于不容易检测到的 PCB 迹线来说则比较困难。此外，迹线可能很短，并且可能包括许多分支，要精确地测试阻抗非常困难。出于测试目的添加额外的线路将会影响性能并占用线路板空间。PCB 测试因此通常在集成到 PCB 面板上的一两个测试试样上执行，而不是在 PCB 本身之上。试样具有和主 PCB 相同的分层和迹线构造，同时和 PCB 的阻抗相同，这是非常精确的。进而测试试样就足以确定线路板的阻抗是否正确了。
测量控制阻抗
阻抗测量通常使用时域反射计 (TDR) 来完成。TDR 通过控制阻抗线缆和探针向试样应用快速电压步长。任何脉冲微波中的反射都将显示在 TDR 上，并且表示阻抗值的变化（称为不连续性。）TDR 可以表明不连续性的位置和幅度。使用适当的软件，TDR 可以绘制试样的测试迹线长度上的阻抗图。所生成的迹线特性阻抗的图形化表示将允许在生产环境中执行此前所述的复杂测量。