受控阻抗布线技术确保信号完整性

核心要点

 

受控阻抗布线通过匹配走线阻抗来防止信号失真，从而保持信号完整性。

高速PCB设计中，元件与走线的阻抗匹配至关重要。

PCB材料的选择（如低损耗层压板）对减少信号衰减起关键作用。

 

受控阻抗布线如何保障信号完整性

 

为实现电路信号完整性，需遵循以下设计规范：避免直角走线、隔离时钟信号与电源信号、保持元件间最短距离。

受控阻抗布线通过调整走线尺寸和环境参数，使其特性阻抗与设计目标匹配，从而确保信号传输过程中的完整性。随着信号速度提升（甚至达到GHz级且面积缩小），信号完整性成为关键考量。该技术能维持信号强度，使其从源端到终端的传输过程保持稳定。

受控阻抗布线在电路中的行为

电路中除源端和负载外还存在大量元件。能量从元件输出引脚经走线流向负载时会产生失真和损耗。若能量未被负载完全吸收，会反射回源端，引发叠加或抵消效应（如振铃现象），导致信号完整性受损。

 

阻抗不匹配时，电路可能表现异常。通过匹配走线阻抗可抑制信号反射。当源端与负载阻抗匹配时，能量沿走线传输效率最高，实现从源端到走线、再从走线到负载的高效耦合。这种基于阻抗匹配的布线技术称为受控阻抗布线，可有效消除失真、振铃和信号丢失。

 

受控阻抗布线设计方法

1. 元件阻抗匹配

首先需匹配电路中元件的阻抗。输入引脚的高阻抗与输出引脚的低阻抗会导致失配，通过在输入/输出引脚间添加端接元件可实现阻抗匹配。

 

2. 走线阻抗匹配

通过调整走线几何尺寸（长、宽、厚度）及环境参数（如介质常数）实现目标阻抗。走线特性阻抗由电阻、感抗、容抗和电导共同决定。设计良好的受控阻抗布线可使阻抗在跨层传输时保持恒定（典型值范围：25–125 Ω）。

 

PCB材料的介质常数和介质厚度影响走线阻抗。高速设计优先选用低介电常数、低损耗角正切的层压板材料，以提升信号性能，减少失真和相位抖动。低损耗材料制造的PCB能显著改善高频设计的信号完整性。

PCB中的受控阻抗设计实例

 

在多层电路板中，走线位于层间，需通过两侧层压板厚度实现阻抗匹配。以下是多层PCB中常见的受控阻抗结构示例： 

 

微带线类型	描述
嵌入式微带线	走线夹于平面层间，一侧为平面层，另一侧为层压板与空气介质组合。
偏移带状线	走线两侧完全由层压板覆盖。
边缘耦合偏移带状线	两条受控阻抗走线置于两平面层之间。

 

OrCAD X 24.1版本优化了阻抗与耦合设计流程，提供更高效的受控阻抗布线支持。  

 

 

在OrCAD X 中应用受控阻抗布线

 

OrCAD X 提供了一套全面的工具，专门用于帮助设计人员实现受控阻抗布线。这些功能允许精确控制 PCB 走线的阻抗。

功能	描述	对受控阻抗布线的支持
叠层设计配置	定义PCB叠层结构，指定材料属性、层数与厚度。	通过控制信号走线与参考平面间距，确保阻抗一致性。
设计规则定义	设置电气、物理及制造约束（如阻抗、线宽、过孔尺寸）	严格遵循阻抗规范，降低信号完整性风险。
实时阻抗分析	设计过程中即时反馈阻抗值。	快速识别并修正阻抗失配，确保最终电路符合电气性能标准
设计内耦合分析	评估相邻走线间的耦合效应。	调整走线间距与布局，减少串扰并维持阻抗稳定。
高速布线与SI分析集成	结合信号完整性分析优化高频信号走线。	通过阻抗匹配减少反射与信号衰减，提升高频信号质量。

 

在处理高速、高频关键信号时，信号完整性必须全程保持。受控阻抗布线是PCB设计的核心实践，可确保信号从源端到负载的无损传输。当走线阻抗匹配时，信号完整性失效概率将降至最低。  

OrCAD X提供全套工具保障走线阻抗匹配，助力实现最优性能。  
 

文章来源：Cadence