PCB阻抗控制设计建议
关键的外卖
定义阻抗控制
电路板层堆叠
为有效的阻抗控制走线路由设置PCB设计工具
一种放置并布线的电路板
常言道，凡事都要付出代价。我们都喜欢智能手机带来的巨大计算能力，但这种功能的代价是设计复杂性的巨大增加。高频率，更快的设备切换速度，以及更高的噪声和干扰使得PCB布局更加复杂，因为工程师在设计中要解决信号完整性问题。
我们不能再考虑电路板了跟踪路由简单的点对点连接。布局设计人员在其设计中了解关键的网络需求并相应地布局电路是至关重要的。这些轨迹必须被视为传输线，并配置和路由为最佳阻抗控制，以确保它们提供最清晰的信号质量和完整的数据完整性。为了做到这一点，这里有更多关于电路板布局中的PCB阻抗控制的细节。
PCB阻抗控制的需要
电容和电感的结合对电流流动产生阻力，这就是所谓的阻抗。PCB设计中的所有导线和迹线都会产生一些阻抗，以欧姆为单位。由于分布在电路板上的不同环境，阻抗值可以改变或被认为是“不受控制的”。虽然对PCB上的许多电路来说，不受控制的阻抗可能不是问题，但它会极大地影响高频信号。
在更高的频率下，信号表现得更像高速传输线，而不是常规的点对点连接。这些信号的成功取决于它们在源和负载之间的清晰传输和接收。然而，在整个路由轨迹中，随着阻抗值的变化，信号可以被反射，并沿与原始信号相反的方向传播。这种反射会叠加在初始信号上，造成失真，从而改变发射机和接收机之间的信号轮廓。这种失真会降低信号的完整性，可能会导致信号无法实现预期的功能。
为了防止这样的信号完整性问题，高频传输线电路必须通过阻抗值在整条线路上均匀控制的轨迹。这是通过控制导线的几何形状和导线穿过的环境来实现的。通过指定其布线宽度和铜重量来控制迹线，而通过仔细选择含有迹线的介电材料以获得适当的Dk(介电常数)值来控制环境。对于相邻或夹在两个接地面之间的受控阻抗线，配置带有专用路由层的板层堆叠也很重要。这通常被称为微带或带线配置。最后,控制阻抗环境将调节迹线与平面之间的介电间距以及与其他迹线的间距。
接下来，我们将更深入地研究PCB阻抗控制路由的板层堆叠。
电路板上的差动对布线
为阻抗控制路由设置PCB层堆叠
正如我们所看到的，控制路由敏感线路的阻抗取决于以下因素:
跟踪几何:必须仔细选择导线中铜的横截面体积，因为导线宽度和厚度(铜重量)都必须考虑到阻抗计算中。
间距:计算的最后一部分是信号迹线与相邻地平面之间的垂直间距以及其他信号迹线的间距。
为了成功地控制传输线布线的阻抗，介质板材料必须与走线几何形状相匹配。这可能需要PCB制造的特定材料类型和对迹线几何形状和间距值的调整。介电材料的Dk值将随频率而变化，因此每个板的阻抗计算将根据电路的频率而不同。设计人员可以使用在线计算器来确定板层堆叠，加上大多数PCB设计系统包括他们自己的阻抗计算器。此外，电路板制造商通常可以帮助进行这些计算。
PCB制造商了解电路板材料和电路需求之间的关系，因为他们有建立多种高速设计的经验。他们可以帮助您的板层堆叠配置，只要他们有以下数据从您:
- 单板上单端和差分对控制阻抗路由的目标阻抗。
- 控制阻抗路由所需的板层。
- 目标板材料。
有了这些信息，电路板制造商通常可以推荐对您的设计最有效的电路板层堆叠配置。许多制造商还可以直接与CAD系统交换这些PCB层数据，以减少潜在的错误并增加设计时间。
让我们看看如何设置PCB设计系统，以实现PCB阻抗控制传输线的最有效路由。
Cadence Allegro的约束管理器用于为差异对设置设计规则
充分利用布局工具中的设计功能
PCB堆叠中的材料选择、层宽和层的配置对控制阻抗都很重要。然而，除了堆叠之外，还应设置设计的其他参数，以帮助控制阻抗路由。其中一些参数是直接相关的，比如轨迹宽度和间距，而其他参数则会简化布局工作。
示意图
在开始布局之前，花时间确保原理图充分准备好。显然，原理图将继续为设计增强和变更而更改，但它应该准备好与PCB布局数据库同步。这包括确保其组件得到批准和更新，受控阻抗信号被分类为差分对或单端网络，并将一些基本规则和类别输入数据库。
设计参数
许多设计师将参数保留为默认设置，但修改这些参数以适应您的个人喜好可以使您在布局时更轻松。所选的净色、填充图案和高光只是其中的一些变化，可以提高您使用工具的效率。其他包括度量单位、网格、文本显示，甚至工具栏和命令的配置方式。
设计约束
您的PCB CAD工具应该有一个全面的设计规则和约束系统，允许您为受控阻抗轨迹路由设置规则。例如，在Cadence Allegro的PCB编辑器中，您可以为PCB设计中的各种信号需求设置网络类和规则。其中之一，如上图所示，是设计中的微分对。Allegro允许您设置所有相关的路由规则，包括迹宽和间距，以满足它们的电气要求。
路由的命令
PCB布局系统中有许多可用的跟踪路由特性。您可以将轨迹路由到指定的长度、添加曲线、滑动它们，或者在特定的模式或拓扑中路由它们。对于受控阻抗路由，您需要能够在特定宽度、间距和指定层上路由迹线。布局工具中的路由功能可以很容易地与已经设置好的设计规则和约束相结合。你的布局工具也将有自动路由功能路由差动对就像你在下面的图片中看到的那样。这些功能将为您节省手动将它们路由到一起的时间和难度，同时保持彼此之间所需的间距。
这仅仅涉及到当今PCB布局工具中众多设计功能中的一小部分。随着CAD系统的不断改进，我们将不断看到增强和升级，以简化PCB阻抗控制设计人员的工作流程。例如，这里有几个高级功能可以提供帮助。
由自动跟踪路由特性实现的差动对路由示例
PCB设计工具中有用的高级功能
为了帮助设计人员在布局PCB设计时解决信号完整性问题，Cadence在其工程软件库中提供了另一个有用的工具。本文顶部视频中显示的阻抗分析工作流允许设计人员分析他们的关键网络，以发现潜在的SI问题。一旦修正，第二次运行的分析将显示这些变化如何提高了电路板的信号完整性。
我们在前面也提到了与PCB制造商沟通以交换关键板层堆叠信息的重要性。Cadence在这方面也有所帮助，具有导入和导出板层的功能分层盘旋飞行信息IPC-2581格式。这使您可以与配备类似设备的制造商合作，并将他们的数据直接导入到您的设计中。不依赖于口头或书面交流，您可以为您的电路板层堆叠、导电和介电材料定义、涂层和其他重要的PCB物理特性提供设计就绪数据。
要了解更多关于板层堆叠策略，请查看我们关于堆叠的电子书成本方案而且DFM的考虑．
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