阻抗控制技术与PCB设计优化

一、特征阻抗的物理意义
1、输入阻抗

输入阻抗定义为单口网络端口处的电压与电流比值，即：Z=U/i；在集总参数电路中，输入阻抗是分析网络特性的基础参数。

2、 特征阻抗

PCB走线在高频信号下表现为传输线，其特性由分布参数（电感、电容）决定。特征阻抗（Z0）的物理意义为电磁波在传输线中传播时的瞬时电压与电流比。关键影响因素包括：

• 走线几何参数（线宽、介质厚度、铜厚）；
• 材料特性（介电常数、损耗因子）；
• 工艺偏差（线宽公差、层压厚度波动）。
  

3、偶模阻抗、奇模阻抗与差分阻抗

• 偶模阻抗（Z1）：两线同相位驱动时的有效阻抗。
• 奇模阻抗（Z2）：两线反相位驱动时的有效阻抗。
• 差分阻抗（Z3）：为奇模阻抗的两倍，表征差分信号对的阻抗特性。
  

耦合效应会显著改变奇模阻抗，进而影响差分阻抗。

二、生产工艺对阻抗控制的影响
1、 介质厚度与材料选择
芯材与半固化片：PCB层压结构由芯材（双面覆铜介质）和半固化片（预浸材料）交替组成。
芯材厚度规格固定（0.1mm~2.4mm），半固化片常用规格为1080、2116、7628。
注意：在进行阻抗控制的时候，一定要考虑到芯材的厚度中是否包含了铜箔的厚度。
工艺限制：层压过程中会出现层压现象，导致介质厚度变薄，需在设计阶段预留补偿余量。
2、 加工工艺偏差：阻抗的理论值受线宽公差、介质厚度波动等工艺因素影响。
微带线与带状线：

• 微带线（表层走线）：易受辐射干扰，适用于非关键信号。
• 带状线（内层走线）：屏蔽性好，推荐用于时钟、高速信号等关键路径。
  

三、差分阻抗控制
介质厚度与差分线间距的影响

设计建议： 在信号线离地较远时，差分信号对共模干扰有较强的抑制作用并且降低了信号的共模辐射程度。对于高速信号线，尽量选用差分信号，可以有效减小EMI影响。

四、屏蔽地线对阻抗的影响

在高速PCB设计中，屏蔽地线（Guardline）通过为关键信号提供低电感回路，可有效抑制相邻信号间的串扰和电磁干扰，但同时会改变信号线的电磁场分布，导致其阻抗降低。

1、地线与信号线间距对阻抗的影响

• 间距与阻抗关系：地线与信号线间距越小，阻抗降低越显著。
• 典型数据： 间距为6mil时，单线阻抗降低约4Ω，差分阻抗降低5Ω； 间距增至12mil时，单线与差分阻抗均仅降低约1Ω。
• 设计建议：需在电磁屏蔽效果与阻抗控制之间权衡，合理设置间距。
  

2、屏蔽地线线宽对阻抗的影响

• 线宽特性分析：线宽变化对阻抗的影响非单调且较弱（变化幅度≤1Ω）。例如，线宽从4mil增至无穷大时，阻抗波动仅约1Ω。
• 工程优化：在满足屏蔽需求的前提下，可选用较细地线（如4mil）以节省布线空间。
  

3、综合设计建议

• 关键信号处理：对高速信号线及接口信号，推荐采用包地线（Guard Trace）结构，通过地线包围实现电磁屏蔽。
• 参数协同优化： 优先调整地线间距以控制阻抗降幅（如选择12mil以上间距）；
• 地线线宽可灵活设计，无需过度追求宽度，以节省布局空间。
  

五、阻抗控制案例
1、产品情况
12层板结构：内层阻抗35Ω，顶层49Ω，阻抗不连续导致信号过冲与台阶现象。
匹配困难：SD535与GTL16923接口数据线无法通过终端匹配解决信号完整性问题。
2、改进方案
结构调整：将“平面-信号-平面”改为“平面-信号-信号-平面”，实现内外层阻抗一致，但存在相邻层信号间的串扰。
串扰抑制：相邻信号层采用正交布线，限制并行走线长度。
3、效果验证：内外层阻抗差异消除，SD535至GTL1655数据线信号质量显著提升。