高速PCB的特征阻抗怎样来设计

我们在高速PCB设计当中，经常对高速信号线做特征阻抗控制来优化信号质量。那特征阻抗是什么东西呢？

1.传输线原理

介绍特征阻抗之前，我们复习下《信号完整性视频》介绍的传输线基本原理。如下图左边是低频电路采用集总参数的RLGC模型，右边高频电路采用分布参数的RLGC模型。

求解传输线微积分方程对你们来说都是轻轻松松的事情，这里同样不介绍。方程的结果是我们可以得到PCB传输线的衰减常数，特征阻抗，相移常数等。具体含义的在《信号完整性视频》有详细介绍。我们这里主要介绍PCB特征阻抗的应用。下面就是求解方程得到的特征阻抗的公式，但用处不大，因为你无法知道单位长度对应的R,L,G,C。

2.特征阻抗不匹配的影响

传输线的特征阻抗是指高速信号在PCB线上传输时，在线上每个点处对应的阻抗。 我们希望传输线特征阻抗不要突变，因为突变的的传输线会造成信号的反射，从而影响了信号质量。

3.特征阻抗的选值

PCB特征阻抗阻值是由负载端匹配电阻ZL决定，具体要看各种接口的规范定义。特征阻抗误差主要是由PCB板厂工艺影响，一般能控制在5%-10%。下面是常见的接口PCB阻抗控制。

USB差分线     90Ω

PCIE差分线    100Ω

RF单端传输线  50Ω

普通单端传输线   50Ω

4.PCB特征阻抗设计

目前PCB生产厂家经常使用polar si9000软件来计算特征阻抗。下面以单端信号线为例。设置参数有4个：介电常数、介质厚度、线宽和铜箔厚度。

介电常数Er1：板材的介电常数，一般FR4板材4.2-4.5。

介质厚度H1：板材或PP的厚度。

线宽W1/W2：PCB布线的线宽。

铜箔厚度：根据实际情况，有0.5/1/2 OZ等。

从上面50Ω单端信号线的例子计算大家应该清楚可以知道，为什么2层板的信号线很难做50Ω阻抗匹配？

5.特征阻抗OK就OK了吗？

通过上面的原理介绍和软件操作，大家基本上能轻轻松松设计出特征阻抗匹配的PCB。 

但大家回顾下《PCIE 3.0仿真视频》的例子，评估传输链路的关键指标主要有S11和S21。特征阻抗匹配只保证了S11。而对于长距离，GHZ以上的PCB布线，S21的影响更重要。所以在保证特征阻抗的同时，让S21也满足要求，才能说明你的PCB设计是OK的。