PCB 設計中的阻抗控制初學者指南
1 分鐘
- 1. 電路的阻抗:
- 2. 何謂阻抗匹配?
- 3. PCB 設計中常用的阻抗走線:
- 4. PCB 阻抗匹配設計注意事項:
- 結論:
當數位訊號從一處傳輸到另一處時,會導致訊號線的狀態發生變化。這種變化可被理解為電磁波在電路中傳播。反射發生在這個波遇到不同介質邊界時。在此邊界,部分波的能量會繼續作為訊號前進,其餘則被反射。此過程會重複,直到能量被電路吸收或散逸至環境中。
對電機工程師而言,此邊界通常由電阻抗的變化所定義。在 PCB 設計中,當訊號沿走線遇到阻抗不匹配時就會產生反射。這種不匹配會使部分訊號反射回源端,導致訊號完整性問題,如失真、雜訊與資料錯誤,尤其常見於高速數位或射頻電路。
1. 電路的阻抗:
在包含電阻、電感與電容的電路中,阻礙電流流動的總等效電阻稱為阻抗。阻抗由電阻性與電抗性元件組成。電阻會將電路能量以熱的形式耗散;可恢復的能量則存在於導體、電感與電容周圍及內部的電磁場中。
阻抗通常以符號「Z」表示,單位為歐姆 (Ω),是一個複數,實部為電阻,虛部為電抗。阻抗是交流電路中電阻、電感與電容共同作用的結果。特定電路的阻抗並非固定,其值由交流頻率、電阻 (R)、電感 (L) 與電容 (C) 共同決定,因此會隨頻率變化而改變。
2. 何謂阻抗匹配?
阻抗匹配是一種確保訊號源或傳輸線與其負載相容的方法,可分為低頻與高頻匹配。在低頻電路中,波長相對於傳輸線較長,可忽略反射;然而在高頻電路中,波長較短,與傳輸線長度相當,反射訊號會疊加在原訊號上,改變其形狀並影響訊號品質。
訊號反射:
高頻時,電路行為會因邊緣電容與電感等寄生效應而改變。PCB 訊號走線也會表現出傳輸線特性,且走線上每一點都有阻抗。
因此,原始訊號會失真,發送端原本打算傳送的內容在到達接收端時可能已改變。為實現無失真訊號傳輸,PCB 訊號走線必須維持一致的阻抗。
3. PCB 設計中常用的阻抗走線:
阻抗匹配可有效減少或消除高頻訊號反射。常用的阻抗走線可分為以下四種:
⦁ 單端阻抗走線:
單端阻抗走線指 PCB 上單一走線的阻抗,通常分為 Microstrip 與 Stripline 兩大類。
⦁ Microstrip 走線:位於 PCB 外層的訊號走線,其正下方內層有參考接地平面。阻抗由走線寬度、走線與接地平面間介電層厚度及材料介電常數控制。
⦁ Stripline 走線:夾在兩個接地平面之間的訊號走線,通常位於 PCB 內層。阻抗由走線寬度、走線上下方介電層厚度及介電常數控制。
⦁ 差分對阻抗走線:
兩條平行且承載大小相等、方向相反訊號的走線,常用於高速資料傳輸。阻抗由走線寬度、兩走線間距及材料介電特性控制,標準阻抗值為 90–110 Ω。
⦁ 共面單端/差分對阻抗走線:
位於外層的訊號走線,同層兩側有接地平面。阻抗由走線寬度、走線與相鄰接地平面間距、下方介電層厚度及介電常數決定。標準阻抗值為 50 Ω(單端)、90–100 Ω(差分對)。
4. PCB 阻抗匹配設計注意事項:
PCB 走線阻抗的計算與量測:
若訂單需要阻抗控制,請務必以表格或圖示提供阻抗需求,並隨壓縮後的 PCB 檔案一併上傳。下圖列出常見走線阻抗值及其對應的線寬、間距與層別資訊。
使用 JLCPCB 阻抗計算器:
開啟 JLCPCB 的「阻抗計算器」,輸入阻抗值並選擇對應的疊構與其他相關參數(如板厚),即可在工程資料中設計對應的線寬與間距。
製造商重要提示:若訂單中「阻抗控制」選擇「是」,JLCPCB 將把阻抗控制在 ±10% 公差內;若選擇「否」,我們將不控制阻抗,但會確保線寬與間距在 ±20% 公差內。雙面板目前尚不提供阻抗控制服務。
結論:
阻抗匹配是高速 PCB 設計的關鍵環節,可確保最佳訊號傳輸並維持訊號完整性。透過仔細考量阻抗值、線寬、間距、介電特性與參考層,設計人員能有效減少訊號反射與失真。採用阻抗控制走線並善用 JLCPCB 阻抗計算器等工具,可簡化設計流程並達成目標阻抗值。掌握適當的阻抗匹配技術,設計人員即可提升高速 PCB 的效能與可靠度,實現現代電子系統中電子訊號的無縫傳輸。
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