印刷电路板(PCB)的特性阻抗与特性阻抗控制

 新闻资讯     |      2023-02-10 16:38:28

直流电通过导线时,会受到一个阻力,这个阻力称为电阻,符合为R,数值单位为“欧姆”(Ω)。
电阻与电流和电压的关系是:R=V/I
另外,电阻还与导体材料的电阻率(β),导线的长度 (L),导体的截面积(S)有关。R= β L/S

1、电阻
交流电流流过一个导体时,所受到的阻力称为阻抗 (Impedance),符合为Z,单位还是Ω。
此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别,除了电阻 的阻力以外,还有感抗(XL)和容抗(XC)的阻力问题。
为区别直流电的电阻,将交流电所遇到之阻力称为阻抗 (Z)。
Z=√ R2 +(XL -XC)2

2、阻抗(Z)
近年来,IC集成度的提高和应用,其信号传输频率和速 度越来越高,因而在印制板导线中,信号传输(发射)高到 某一定值后,便会受到印制板导线本身的影响,从而导致传 输信号的严重失真或完全丧失。这表明,PCB导线所“流通”的“东西”并不是电流,而是 方波讯号或脉冲在能量上的传输。

3、特性阻抗控制(Z0 )

上述此种“讯号”传输时所受到的阻力,另称为“特性阻 抗”,代表符号为Z0。
所以,PCB导线上单解决“通”、“断”和“短路”的问题还 不够,还要控制导线的特性阻抗问题。就是说,高速传输、高频讯号传输的传输线,在质量上 要比传输导线严格得多。不再是“开路/短路”测试过关,或者 缺口、毛刺未超过线宽的20%,就能接收。必须要求测定特性阻抗值,这个阻抗也要控制在公差以 内,否则,只有报废,不得返工。


二、讯号传播与传输线

 

1、信号传输线定义

(1)根据电磁波的原理,波长(λ)越短,频率(f)越 高。两者的乘积为光速。即C = λ.f =3×1010 cm/s

(2)任何元器件,尽管具有很高的信号传输频率,但经 过PCB导线传输后,原来很高的传输频率将降下来,或时间 延迟了。
因此,导线长度越短越好。

(3)提高PCB布线密度或缩短导线尺寸是有利的。但是,随着元件频率的加快,或脉冲周期的缩短,导线 长度接近信号波长(速度)的某一范围,此时元件在PCB导 线传输时,便会出现明显的“失真”。

(4)IPC-2141的3.4.4提出:当信号在导线中传输时,如果导线长度接近信号波长 的1/7时,此时的导线被视为信号传输线。

(5)举例:
某元件信号传输频率(f)为10MHZ ,PCB上导线长度为50cm,是否应考虑特 性阻抗控制?
解: C = λ.f =3×1010 cm/s
λ=C/f=(3 ×1010 cm/s)/(1 ×107 /s )=3000cm
导线长度/信号波长=50/3000=1/60