深入了解高速 PCB 設計中的阻抗匹配

隨著科技進步與積體電路應用日益廣泛，電子訊號傳輸的頻率與速度不斷提升，這使得 PCB 導體提供高性能傳輸線變得至關重要。這些傳輸線負責將訊號從源端準確且完整地傳遞到接收端。這項要求強調了阻抗匹配的需求。

電抗，通常表示為 Z並以歐姆 (Ω）為單位，是指交流電路中電阻、電感和電容的綜合效應。特定電路的阻抗並非恆定值；其數值由交流頻率、電阻 (R)、電感 (L) 和電容 (C) 共同決定，因此會隨頻率變化。

什麼是阻抗匹配？

阻抗匹配是確保訊號源或傳輸線與其負載之間相容性的一種方式。它可以分為低頻匹配與高頻匹配。在低頻電路中，波長相對於傳輸線較長，反射可以忽略不計。然而，在高頻電路中，由於波長較短且與傳輸線長度相當，疊加在原始訊號上的反射訊號會改變其形狀並影響訊號品質。

如上圖所示，訊號從源端 A 發出，經過中間傳輸線，進入接收端 B。在傳輸過程中，電路中的寄生電阻、電容和電感會阻礙高速訊號傳輸。當訊號在這些元件之間傳播並遇到不一致的阻抗時，可能會導致訊號反射，進而產生訊號失真。

阻抗匹配能有效減少或消除高頻訊號反射。常見的阻抗線可分為四種類型（如微帶線、帶狀線等）。

阻抗設計考量因素

(1) 阻抗控制線可以設計在外層（上述四種類型皆為外層阻抗）或內層。

(2) 阻抗值的大小取決於產品設計與晶片類型。通常，元件製造商會為訊號源和接收端預設阻抗值（例如：SDIO 單端 50 ohms，USB 差動 90 ohms）。

(3) 阻抗控制線必須有參考層，通常使用相鄰的地層或電源層作為參考（例如：頂層阻抗的參考層通常是第二層）。

(4) 參考層的目的是為訊號提供回流路徑並起到電磁屏蔽作用。因此，參考層必須鋪設實心銅（Solid copper）。

(5) 影響線路阻抗的因素：

線寬：阻抗與線寬成反比；線越窄，阻抗越高。

介電常數：阻抗與介電常數成反比；介電常數越低，阻抗越高。

防焊厚度：阻抗與防焊厚度成反比；防焊越厚，阻抗越低。

銅厚：阻抗與表面銅厚成反比；銅越薄，阻抗越高。

線間距：阻抗與阻抗線之間的距離成正比；間距越大，阻抗越高。

介電層厚度：阻抗與介電層厚度成正比；介電層越厚，阻抗越高。

(6) 阻抗線計算方法：建議使用 JLCPCB 的「阻抗計算器」。或者，您可以下載阻抗計算軟體（如 SI9000），並結合我們的疊層參數進行計算。

(7) 關於「線寬與間距」的簡要說明：線寬是指線路的水平寬度，即從線路的一側邊緣到另一側邊緣的距離。線間距是指一條線路的邊緣到另一條線路（或周圍銅面）邊緣的距離。

阻抗控制訂單說明

對於需要阻抗控制的訂單，必須以表格或圖表的形式提供您的阻抗要求，並隨附壓縮的 PCB 檔案。

開啟 JLCPCB 的「阻抗計算器」並輸入阻抗值，同時選擇相應的層疊結構（Stack-up）和其他相關參數（如板厚）。在您的工程資料中設計相應的線寬與間距。

重要提醒：目前我們僅能確保線寬與間距在 +/-20% 的公差範圍內。

結論

阻抗匹配是高速 PCB 設計中的關鍵環節，能確保最佳的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、介電特性和參考層，設計師可以有效減少訊號反射與失真。實施阻抗控制線並利用 JLCPCB 阻抗計算器等工具，可以簡化設計流程並協助達成理想的阻抗值。藉由正確的阻抗匹配技術，設計師可以提升高速 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。