理解 PCB 設計中的訊號反射與阻抗控制：關鍵技術與工具
1 分鐘
每當訊號以數位方式從一點傳送到另一點時，都會改變訊號線的狀態。訊號狀態的變化在電路中傳播時可被視為電磁波。當電磁波遇到從一種介質到另一種介質的邊界時，就會發生訊號反射。波遇到邊界時，部分能量會以訊號形式繼續傳遞 ，另一部分則被反射。此過程將無限持續，直到能量被電路吸收或消散至環境中。
對電機工程師而言，發生邊界的介質通常以其電阻抗來描述；也就是說，邊界即為阻抗發生變化之處。
在 PCB 設計中，當電氣訊號沿著走線傳播並遇到阻抗不匹配時，就會產生反射。這種不匹配會使部分訊號反射回源端。反射可能導致訊號完整性問題，例如失真、雜訊與資料錯誤，在高速數位或射頻電路中尤其明顯。
為何反射雜訊是個問題？
由於訊號線上的反射，額外能量會累積在路徑中，導致訊號出現雜訊問題。反射雜訊會將訊號推向不可預測的值，並將原本確定性的訊號形狀變成隨機訊號。工程師的任務就是透過阻抗匹配，將反射訊號量降到最低，並最大化傳輸訊號量，使額外能量在累積並淹沒訊號前就被消散。
若反射脈衝的能量在下一個脈衝產生前尚未消散，能量將累積並疊加，此現象稱為疊加。反射後，若波的相位與振幅與原始訊號對齊，就會形成駐波。若傳輸線上形成駐波，將在訊號路徑中引入巨大雜訊。幸運的是，訊號通過電阻元件時會衰減，因此簡單的串聯電阻有助於降低此寄生效應。本文後續將介紹更多降噪方法。
數位訊號的雜訊分析：
傅立葉定理指出，數位波可分解為一系列諧波相關的正弦波與/或餘弦波。若上升/下降時間足夠短，單一脈衝可包含數十個小 振幅波。
下圖顯示一個未阻尼的數位訊號從低電位切換到高電位。對於實際感興趣的訊號，我們可將波形分解為一系列正弦波。如上圖所示，真實的數位訊號具有大頻寬，其中任何部分能量都可能在你電路中產生諧振。這與頻寬極窄且諧振易於計算的射頻訊號形成對比。
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形式耗散。電路中可恢復的能量則存在於滲透並環繞導體、電感與電容的電磁場中。
阻抗通常以符號「Z」表示，為一複數，實部為電阻，虛部為電抗。電容電抗為電容對交流電的阻抗，電感電抗則為電感對交流電的阻抗。兩者共同構成對交流電的總阻抗，單位為歐姆。
PCB 設計中的阻抗控制是什麼？
高速電路工作頻率可達數 GHz，因此更容易受到雜訊影響，需要特殊設計流程。電路板本身的製程參數可能變化，導致阻抗改變並造成訊號失真。因此，高速電路板上的導體阻抗值需控制在特定範圍內，此做法稱為「阻抗控制」。PCB 設計師通常需對用於高速數位應用、高速訊號處理與高品質類比影像（如 DDR、USB、SSD、Gigabit Ethernet）的電路板進行阻抗控制。
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 訊號走線也會表現如傳輸線，走線上每一點都有阻抗。結果，原始訊號失真，發送端打算傳送的內容在到達接收端時可能已改變。因此，為實現無失真訊號傳輸，PCB 訊號走線必須維持一致阻抗，這是改善 PCB 走線訊號完整性的第一步。
PCB 設計中阻抗的計算方法：
傳輸線阻抗在建立設計的疊構時即已決定。透過調整以下板層屬性，可在走線時控制阻抗、損耗與傳播延遲。設計 PCB 疊構時，設計師需設定層排列與層厚度，並選擇板材。決定後，再計算所需走線寬度以達到目標傳輸線阻抗。
網路上有大量 PCB 傳輸線計算器，可計算無損阻抗、無損傳播延遲或直流電阻等。這些數值雖有用，但無法呈現設計全貌。線上計算器在阻抗計算時也常給出錯誤結果，因無法考慮色散與銅箔粗糙度等根本現象。
線上計算器通常使用 Wadell 方程式數值求解傳輸線阻抗，更簡易的則使用準確度較低的 IPC-2141 方程式。線上或設計軟體內的 PCB 傳輸線計算器因未納入損耗角正切或色散，無法提供精確阻抗值，因此需要更精確的工具。
決定傳輸線阻抗的因素：
影響阻抗的因素如下：
● 介電常數實部： 介電厚度與阻抗成正比，越厚阻抗越高。
● 損耗角正切與色散：損耗角正切衡量訊號通過介電材料時以熱形式損失的能量，影響高頻訊號完整性並造成衰減。高速與 RF 設計偏好低損耗角正切材料以減少訊號劣化。
● 走線與參考平面的距離：兩走線間距與阻抗成反比，適當間距對維持受控阻抗與高速/RF 電路的訊號完整性至關重要。
● 銅厚與粗糙度：銅箔厚度與阻抗成反比，越厚阻抗越低。可透過圖形電鍍或選用適當厚度的基材銅箔來控制。
● 走線寬度： 走線寬度與阻抗成反比，越細阻抗越高，越寬阻抗越低。為更好控制阻抗，需將走線寬度公差維持在 ±10% 以內。並依蝕刻側蝕、曝光與圖形轉移誤差對光罩進行工程補償，以確保寬度精度。
如何降低反射雜訊：
以下概述幾種可在設計中管理反射雜訊的技術。
1) 計算走線阻抗
當走線穿越元件、過孔或焊墊後，需維持恒定阻抗。為此，你得先能計算走線阻抗。你的 PCB 軟體應具備此功能，也有線上工具可用。一旦決定走線與間隙寬度，就在整段走線中保持不變。
2) 走線一致性
為維持差分對或單端走線的恒定阻抗，必須保持走線寬度、間距及與其他導體的距離恒定。若隨意用另一條走線跨越受控阻抗對，就會改變阻抗並產生反射點。
3) 減少反射點
也可思考如何從源頭減少反射點的發生。
4) 留意板邊過孔
過孔對高速設計師可能是個問題。若過孔延伸超出訊號走線至未使用層，電路阻抗會突然改變。在板邊過渡處，走線離開過孔（約 50–150 Ω）進入空氣（約 377 Ω）時會發生阻抗不匹配，形成可能嚴重劣化訊號的反射點。
5) 背鑽過孔
解決方法是請 PCB 製造商「背鑽」過孔，將未使用外層的過孔移除。背鑽過孔可顯著改善邏輯轉換。
抑制既有反射雜訊：
另一重要技術是在所有具快速上升/下降時間的驅動源附近串聯阻尼電阻，有時稱為緩衝電阻。任何反射訊號每次通過該電阻都會快速衰減。通常使用 <100 Ω 電阻，靠近驅動源（如時脈源、GPIO 等）。基本概念是形成阻尼電路——訊號僅一次上升到適當邏輯電位，無過度過衝與振鈴。
設計中反射規則的計算：
主要用於描述阻抗與反射的參數有三：
1) 電壓反射係數 (VRC)
2) 電壓駐波比 (VSWR)
3) 回波損耗 (RL)
電壓反射係數 (Γ) 計算器：
反射係數為反射波振幅與入射波振幅之比，以 gamma 符號表示。其大小僅取決於負載阻抗與傳輸線阻抗，與線路長度無關。
線上計算器可輸入特性阻抗 Zo（歐姆）與負載阻抗 ZL（歐姆）來計算反射係數 (Γ)。其值範圍從 -1（短路負載）到 +1（開路負載） ，匹配負載時為 0。
其中，
V- = 反射波振幅（V）
V+ = 入射波振幅（V）
此效應與三因素相關：阻抗變化大小、訊號上升時間，以及訊號在細線上的延遲。
VSWR 計算器：
VSWR（電壓駐波比）衡量射頻功率傳輸至負載的效率，反映多少訊號被反射 回系統，為傳輸波與反射波之比。高 VSWR 表示傳輸線效率差、反射能量高，其值範圍從 1 到正無限。
回波損耗 (RL) 計算器：
回波損耗為負載處損失且未以反射形式返回系統的功率量，以 dB 表示——高回波損耗表示負載損失更多功率。此損耗值為反射係數絕對值的 dB 值，100% 反射時為 0，理想連接時為無限大。
使用 VSWR 的回波損耗計算器：
使用 VRC 的回波損耗計算器：
JLCPCB 阻抗計算器工具：
PCB 設計中的傳輸線公式可能各異，僅靠軟體不易得到精確的阻抗匹配值。最佳做法是聯繫製造商，使用其校準過的阻抗計算器工具計算。
JLCPCB 阻抗計算器是 JLCPCB 提供的線上資源，可協助設計師計算 PCB 走線阻抗，對於需要受控阻抗以維持訊號完整性的高頻電路設計至關重要。
主要功能：
1. 走線類型選擇： 可選擇微帶線、帶狀線或差分對。
2. 輸入參數： 輸入走線寬度、厚度、介電常數及走線與參考平面的距離。
3. 即時計算： 工具根據輸入參數即時計算特性阻抗。
4. 材料特性： 可選擇不同 PCB 材料，影響介電常數與阻抗。
選擇傳輸線類型（如微帶線或帶狀線），輸入板材介電常數，再輸入走線寬度、厚度及與參考平面距離，工具將計算並顯示阻抗值。此工具廣泛用於 PCB 設計，確保阻抗符合規格，特別是高速或 RF 電路。你可透過網站使用 JLCPCB 阻抗計算器。
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