如何做好阻抗控制
资料整理: 王
日
敬
期 : 2006.2.8
参考文献: 特性阻抗之诠释与测试(白蓉生教授)
Ø 什么是阻抗
引言
Ø PCB的传输线
Ø 为什么要控制阻抗？
Ø
决定阻抗控制大小的因素
Ø 如何做好阻抗控制
Creat By Jeanne
Ø什么是阻抗
1：阻抗的定义：
导线中所传导的为交流电（A.C）时，所遭遇到的阻力.
（Impedance ）
2：特性阻抗的定义（Characteristic Impedance Control）
在PCB线路中流动的是方波信号或脉冲信号（SQUARE WAVE
SIGNAL PULSE）
在能量上的传输，这种信号在传输时所受的阻力称为特性阻
抗。
3：差动阻抗定义（Differential Impedance Control）:
指在同一层中的两根信号线间的信号阻力干扰。
4：共面阻抗定义(Coplanar Waveguide Impedance Control):
也是差动阻抗的一种.但信号的传输与其相邻的铜面距离有相
应的影响.
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ØPCB的传输线
PCB的传输线是由讯号线、介质层与参考层三者
共同组成，缺一不可。
（凡讯号在导线中传播时，若该线路的长度接近
讯号波长的1/7时，该导线即被视为传输线。波长
=光束（C)/频率(F)
Er：也称为DK（介质常数），即相对容
电率。不同的材料，在不同的测量
条件下，其Er值也不同。对讯号的
传播速度有很大的影响。
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Ø常见的四种传输线
如上图所示：
电力线
磁力线
第一种为共轴的传输线。同轴电缆Coaxial Cable
第二种为微波传输线，即我们一般看到的阻抗线在外层的
特性阻抗。
第三种是带状传输线，即我们一般看到的阻抗线在内层的
特性阻抗。
第四种为共面线，即我们经常讲到的共模阻抗。
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Ø 讯号传播与传输线。
1：正弦波讯号在介质中的传播速度与光速成正比，与其介质常数（DK）
成反比。
2：减少串讯的方法：短线、薄板、少平行线。
a：传输线越短，延误愈少。
b：密集布线时介质层愈薄则杂讯愈少。
导体中出现电流时也会连带产生磁场，一旦相 邻两
铜线的磁力线纠缠在一起时，将出现杂讯。
c： 避免平行减短长度。
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Ø为什么要控制阻抗？
1：针对目前高频高速的要求，及对信号失真状况越
来越高的要求，在设计PCB时方波信号在多层
板讯号线中，其特性阻抗值必须要和电子元件
的内置电子阻抗相匹配，才能保证信号的完整
的传输。
2：当特性阻抗值超出公差时，所传讯号的能量将出
现反射、散失、衰减或延误等劣化现象，严重
时会出现错误讯号。
3：由于元件的电子阻抗越高，其传输速率越快。
总之，是为了配合电子元器件的电子阻抗，避免信号传输时
失真的现象，所以要控制阻抗。
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决定阻抗控制大小的因素
传输线的阻抗究竟控制在多少，取决于好几个方面：
v 1、如果芯片内置有匹配的，要根据芯片要求来选取传输线
的阻抗。
v 2、如果互连上有连接器，则要根据连接器的阻抗来选取传
输线的阻抗。一般连接器、连接线缆的阻抗是50ohm或
75ohm。
v 3、根据PCB的板厚、叠层来选择合适的传输线阻抗，一般
可以在50ohm～75ohm间选取。
v 4、某些特殊场合，有特殊的阻抗要求，如RAMBUS要求
28ohm的传输线特征阻抗。
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Ø 如何做好阻抗控制
1.阻抗匹配
2.传输线之终端控管技术（Termination）
3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
4.阻抗计算的逻辑
5.材料成本的考量
6. 压合结构设计重点
7.POLAR模组介绍
8.判断模块原则.
判断模块原则
9.阻抗Coupon添加位置及方向.
10.阻抗线设计规定.
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
12.常见的阻抗测试模组.
13.特性阻抗的测试.
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1.阻抗匹配: 将讯号的传输看成软管送水浇花
数字系统之多层板讯号线（Signal Line）中，当出现方波
讯号的传输时，可将之假想成为软管（hose）送水浇花
。一端于手握处加压使其射出水柱，另一端接在水龙头
。当握管处所施压的力道恰好，而让水柱的射程正确洒
落在目标区.
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1.阻抗匹配: 将讯号的传输看成软管送水浇花
然而一旦用力过度水注射程太远，不但腾空越过目标浪费
水资源。也有可能因强力水压无处宣泄，以致往来源反弹
造成软管自龙头上的挣脱! (阻抗太高)
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1.阻抗匹配: 将讯号的传输看成软管送水浇花
反之，当握处之挤压不足以致射程太近者，则照样得不到
想要的结果。(阻抗太低)
唯有拿捏恰到好处才能符合实际需求的距离。(阻抗匹配)
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1.阻抗匹配: 将讯号的传输看成软管送水浇花
上述简单的生活细节，正可用以说明方波（Square Wave）
讯号（Signal）在多层板传输线（Transmission Line，系
由讯号线、介质层、及接地层三者所共同组成）中所进行
的快速传送。
訊號線
介質層
接地層
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1.阻抗匹配: 将讯号的传输看成软管送水浇花
此时可将传输线（常见者有同轴电缆Coaxial Cable，与微带线
Microstrip Line 或带线 Strip Line 等）看成软管，而握管处所施
加的压力，就好比板面上“接受端”（Receiver）组件所并联到 Gnd 的
电阻器一般，），使匹配接受端组件内部的需求。可用以调节其终点
的特性阻抗（Characteristic Impedance)
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2.传输线之终端控管技术（Termination）
由上可知当“讯号”在传输线中飞驰旅行而到达终点，
欲进入接受组件（如 CPU 或 Memory 等大小不同的 IC
）中工作时，则该讯号线本身所具备的“特性阻抗”，必
须要与终端组件内部的电子阻抗相互匹配才行，如此才
不致任务失败白忙一场。用计算机术语说就是“正确执
行指令，减少噪声干扰，避免错误动作”。一旦彼此未
能匹配时，则必将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹
，进而形成反射噪声（Noise）的烦恼。
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2.传输线之终端控管技术（Termination）
当传输线本身的特性阻抗（Z0）被设计者订定为28ohm时
，则终端控管的接地的电阻器（Zt）也必须是28ohm，
如此才能协助传输线对Z0的保持，使整体得以稳定在28
ohm的设计数值。也唯有在此种 Z0=Zt 的匹配情形下，
讯号的传输才会最具效率，其“讯号完整性”（Signal
Integrity，为讯号品质之专用术语）也才最好。
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3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
当某讯号方波，在传输线组合体的讯号线中，以高准位（High
Level）的正压讯号向前推进时，则距其最近的参考层（如接地层）
中，理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行（等于正压
讯号反向的回归路径 Return Path），如此将可完成整体性的回路（
Loop）系统。该“讯号”正行进中，但我们将时间冻结住，即可想象其
所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值（
Instantaneous Impedance），此即所谓的“特性阻抗”。
“特性阻抗”应与讯号线之线宽（w）、线厚（t）、介质厚度（h）与
介质常数（Dk）都扯上了关系。此种传输线之一的微带线其图标与
计算公式如下：
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3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
阻抗设计简单的说就是找一组参数(介电层厚度H , 线宽W , 介电常
数εr , 铜厚T) 的组合, 使参数代入公式中可以命中规格中值. 目
前GFI使用POLAR仿真软件计算阻抗, 相关作业程序, 请参考阻抗仿
真作业制作. 下图为各参数与阻抗的关系.
阻抗值与介电层厚度成正比.
(可以理解为绝缘厚度越厚，信号穿过其和接地层形成回路所遇到的阻力越大，所以阻抗值越大）
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3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
阻抗值与线宽成反比 .
（可以理解为其他条件都相同的情况下，表面积增大则相对单位面积所遇到的阻力减小，所以阻抗减小。）
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3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
阻抗值与介电常数成反比.
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3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
阻抗值与铜厚成反比
Zo=(87/√(er'+1.41))*LN[5.98*H/(0.8*W+T)]
Where er'=er*[1-exp(-1.55*H1/H)]
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3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
当上述微带线中Z0的四种变量（w、t、h、 r）有任一项发生
异常，例如下图的讯号线出现缺口时，将使得原来的Z0突
然上升（见上述公式中之Z0与W成反比的事实），而无法
继续维持应有的稳定均匀（Continuous）时，则其讯号的
能量必然会发生部分前进，而部分却反弹反射的缺失。如
此将无法避免噪声及误动作了。下图中的软管突然被小朋
友踩住，造成软管两端都出现异常，正好可说明上述特性
阻抗匹配不良的问题。
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3.特性阻抗的定义（Characteristic Impedance）
上述部分讯号能量的反弹，将造成原来良好品质的方波讯号
，立即出现异常的变形（即发生高准位向上的Overshoot
，与低准位向下的 Undershoot，以及二者后续的
Ringing。此等高频噪声严重时还会引发误动作，而且当
时脉速度愈快时噪声愈多也愈容易出错。
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4.阻抗计算的逻辑
如左列结构, 计算阻抗时应先从外层
算起(Microstrip line), 外层阻
抗计算出来后可得到L1~L2及
L9~L10的介电层厚度, 然后再计算
内层阻抗, 因为内层结构为两个
Strip line结构所组成, 算出L3及
L4的阻抗结构后, 一般的结构为对
称性设计, 故可得到另一组L7及L8
的阻抗结构, 至于L5~L6的介电层
为介于两层GND之间, 所以这段厚
度不会影响阻抗, 可配合各介电层
厚度总和, 自由调整该处厚度.
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5.材料成本的考量
1) 使用常见的胶片组合:
当使用两张以上胶片时, 尽量避免使用单价
较高的胶片去做组合, 如106, 2313, 1506等.
2) 胶片压合张数最多不可超过3张:
若3张7628或7630仍无法达到客户介电层要求
时, 须使用无铜箔基板搭配上下各一张胶片进行
压合, 因为多张胶片压合时可能会出现滑板问题.
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6. 压合结构设计重点
(1)介电层之搭配设计尽量以thin core为key factor
此处阻抗线路距离上端
参考层较近，因此此厚
度为key factor 应尽量
以压合后厚度稳定的
thin core为设计基准
P.P
KEY
6. 压合结构设计重点
(2)P.P数量愈少愈好，避免使用多张P.P，
若厚度太厚可用无铜箔基版
P.P数量多，压合变异性大且价格成本较昂贵
(3)除非不得已尽量避免使用高含胶量之
P.P(ex. 106、1100、2200、7630….)
厚铜板除外
含胶量高之P.P因流胶量较难控制所以压合后厚
度之变异性较大，应尽量避免使用
6. 压合结构设计重点
(4)P.P之搭配尽量使用常用之胶片组合，
综合上述各点找出最佳组合
FR-4(HTg)
2200X2
->5.1X2
= 10.2
1080+7628 ->2.96+7.94 = 10.7 --------佳
(5)若为4/4线路以下，尽量以较薄胶片、缩线搭配
4/4线路
1080-> 3.75 mil 可达阻抗中值 --------佳
1100-> 4.25 mil 可达阻抗中值
7. POLAR模组介绍
v 现有单线模阻
1.讯号线在外层
2.参考层在内层,
例L1-2OR L1-3
3.单条讯号线
4.仿真防焊前使用
1.讯号线在外层
2.参考层在内层
例L1-2 OR L1-3
3.单条讯号线
4.仿真防焊后使用
Creat By Jeanne
1.讯号线在内层
2.参考层1层靠内层
例L2-3 OR L3-4
3.单条讯号线
4.仿真防焊后使用
7. POLAR模组介绍
•现有单线模阻
1.讯号线在内层
2.参考层2层两侧且呈对
称.
例L1-2-3
3.单条讯号线
4.仿真防焊前后使用
1.讯号线在内层
2.参考层2层内外层均可.
但为不对称
例L2-3-4OR L1-3-4
3.单条讯号线
4.仿真防焊前后使用
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7. POLAR模组介绍
v 现有双线模阻
1.讯号线在外层
2.参考层在内层,
例L1-2OR L1-3
3.两条并行讯号线
4.仿真防焊前使用
5.差动阻抗
1.讯号线在外层
2.参考层在内层,
例L1-2OR L1-3
3.两条并行讯号线
4.仿真防焊后使用
5.差动阻抗
Creat By Jeanne
1.讯号线在内层
2.参考层1层靠内层
例L2-3OR L3-4
3.同层两条并行讯号线
4.仿真防焊后使用
5.差动阻抗
7. POLAR模组介绍
v 现有双线模阻
1.讯号线在内层
2.参考层2层两侧且呈对
称.
例L1-2-3
3.同层两条并行讯号线
4.仿真防焊前后使用
5.差动阻抗
1.讯号线在内层
2.参考层2层内外层均可.
但为不对称
例L2-3-4OR L1-3-4
3.同层两条并行讯号线
4.仿真防焊前后使用
5.差动阻抗
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1.讯号线在内层
2.参考层2层两侧,且呈对
称.
例L2-3-4-5
3.上下两条并行讯号线
4.仿真防焊前后使用
5.差动阻抗
7. POLAR模组介绍
v 现有三线模阻
1.讯号线在外层
2.参考层在内层,
例L1-2OR L1-3
3.三条并行讯号线
4.仿真防焊前使用
5.差动阻抗
1.讯号线在外层
2.参考层在内层,
例L1-2OR L1-3
3.三条并行讯号线
4.仿真防焊后使用
5.差动阻抗
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7. POLAR模组介绍
v 现有三线模阻
1.讯号线在内层
2.参考层1层靠内层
例L2-3OR L3-4
3.同层三条并行讯号线
4.仿真防焊后使用
5.差动阻抗
1.讯号线在内层
2.参考层2层内外层均可.但
为不对称
例L2-3-4OR L1-3-4
3.同层三条并行讯号线
4.仿真防焊前后使用
5.差动阻抗
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8. 判断模块原则
v 确定讯号线层别.
v 确定参考层层别,层数.
v 确定单双三讯号线.
™ 差动
v 确定绝缘层厚,讯号线厚.
v 确定Er值.(不同的材料，其相应的ER值不
同）
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9.阻抗Coupon添加位置及方向
9.
1:阻抗Coupon添加时尽量朝内放置.
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9.阻抗Coupon添加位置及方向
9.
Creat By Jeanne
9.阻抗Coupon添加位置及方向
9.
v
当客户要求，阻抗值以板内点为主时，需将板内点朝内排版 .
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9.阻抗Coupon添加位置及方向
9.
v
相同规格之阻抗Coupon需同时朝内或朝外，以方便外层蚀刻调整阻抗.
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9.阻抗Coupon添加位置及方向
9.
v
依据出货Panel，一律由左至右，由上至下添加。
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9.阻抗Coupon添加位置及方向
9.
v
特性及差动阻抗Coupon若同时存在时差动阻抗Coupon朝内 。
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10.阻抗线设计规定
10.
v
阻抗Coupon线长度以4 Inch Min.设计，Polar TDR最小线长3.5 Inch，
阻抗Coupon排版尽量靠板中间以维持电镀均匀性
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10.阻抗线设计规定
10.
v
阻抗线设计勿转折，若空间不够需转折时，转折间距需≧30 mil，并
以两个90°转折取代一个180°转折
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11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
■线宽 / 线距 (Line Width / Spacing )
■检查接地点是否正确 (GND Connection Check)
■Coupon 设计错误范例 (Improper Design
Practices)
线路上钻孔、不适当的Dummy pad、不适当的Anti-Pad
上下层线路重叠、量测点间距不符规定
11. 阻抗线路检查事项(Imp.Trace Review Items )
Impedance coupon design rule
Single-end Impedance
0.100”
Impedance Trace = Simulated Line
Width/Space
Trace Length = 3”~6”
0.100”
Drill Size <=
1.05mm
PTH Holes
Dummy pad =
Follow Dummy Pad
Definition
(Dummy trace) x2
Line Width = 20mil (Outer layer)
= 20mil (Internal layer)
Line Space = 20mil (Outer layer) min
= 20mil (Internal layer) min
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
Impedance coupon design rule
Differential Impedance
0.100
”
Impedance Trace = Simulated Line
width/Space
Trace Length = 3”~6”
0.100
”
Drill Size <=
1.05mm
PTH Holes
Dummy pad =
Follow Dummy
Pad Definition
(Dummy trace) x2
Line Width = 20mil (Outer layer)
= 20mil (Internal layer)
Line Space = 20mil (Outer layer) min
= 20mil (Internal layer) min
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
正确的Coupon设计 (Correct Coupon Design)
GND
Connection
Imp.
Traces
Dummy
Pad
Dummy
Traces
1. 正确的阻抗线路长度 ( 3 ~ 6 inch and up)
2. 足够的 Dummy Trace 线距 (I/L: Min. 21 mil ; O/L : Min. 26 mil )
3. 正确的参考层接地点
4. 不可有其它造成干扰阻抗信号因素 (Drill on Trace、Thieving、AntiPad、Near Traces、Insufficient pitch of holes)
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
设计错误范例 (Improper Design Practices)
线路上钻孔 (L2阻抗线参考L3GND )
当客户有这种设计时, 须建议客户去除该处钻孔及PAD.
无论客户是否同意修改设计, 于生产前必须先行试作.
L2 Imp.
Traces
Drill on
Trace
L2 Imp.
Traces
Drill on
Trace
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
设计错误范例 (Improper Design Practices)
不适当的Dummy pad
L2 阻抗线参考 L3 GND
L1 的 Dummy pad 做在 L2 阻抗线上方
L2 Imp.
Traces
L3 GND
L1 Thieving
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
设计错误范例 (Improper Design Practices)
不适当的 Anti-Pad(隔离)
L6 阻抗线参考 L5及L7 GND
L5及L7 的 Anti-Pad 太靠近 L6 阻抗线
L6 Imp.
Traces
L5&7
GND
L5&7
Anti-Pad
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
设计错误范例 (Improper Design Practices)
上下层线路重叠 : 导致阻抗值减低
L7 及L8 阻抗线参考 L6 GND
L7及L8 的阻抗线彼此重叠
L8 Imp.
Traces
L7 Imp.
Traces
L7&L8 Trace
Overlapped
L6 GND
L6 GND
Sub-Topic
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
设计错误范例 (Improper Design Practices)
量测点间距不符规定
L1 阻抗线参考 L2 GND
阻抗线距离参考层接地点间距最大100mil
Sub-Topic
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
阻抗线路检查注意事项
如附图, L1(红色)阻抗线路区分两种.
其一为参考L2(蓝色), 如下图蓝色铜面区域为GND.
其二为参考L3, 如下图上方区域线路.
由于参考层不同, 最后这两种线路的阻抗值均不相同.
11.阻抗线路检查事项(Imp. Trace Review Items )
阻抗线路检查注意事项
Micro strip line阻抗结构
l介电层愈厚, 阻抗值愈高
Microstrip & Embedded Microstrip
12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(特性阻抗)添加于折断边.
(参考层分别为L2、L3)
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12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(特性阻抗)添加于PANEL中.
(参考层分别为L2、L3)
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12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(特性阻抗),控制两种线路, 添加于折断边.
(参考层分别为L2、L3)
Creat By Jeanne
12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(特性阻抗),控制两种线路,添加于PANEL中
(参考层分别为L2、L3)
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12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(差动阻抗),控制一种线路,添加于折断边
(参考层分别为L2、L3)
Creat By Jeanne
12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(差动阻抗),控制一种线路,添加于PANEL中
(参考层分别为L2、L3)
Creat By Jeanne
12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(差动与特性阻抗),控制两种线路,添加于折断边中
(参考层分别为L2、L3)
Creat By Jeanne
12.常见的阻抗测试模组.
v
阻抗在外层的四层板(差动与特性阻抗),控制两种线路,添加于PANEL中
(参考层分别为L2、L3)
Creat By Jeanne
12.常见的阻抗测试模组.
v
六层板(特性阻抗),内外层均控制阻抗,参考层在L2/L5,添加于PANEL中
注意:
1:上图为L3/L4计算所使用的模组.
2: L3参考层为L2/L5,
L4参考层为为L5/L2,
故,L3与L4 阻抗线不可互相影响.
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12.常见的阻抗测试模组.
v
六层板(特性阻抗),内外层均控制阻抗,参考层在L2/L5,添加于PANEL中
注意:
1:上图为L3层使用的计算模组.
2:L6参考层为L4,故阻抗线对
应的L5层不可铺铜,同时L5
层的阻抗线及 DUMMY 线路
也不可以与L6层的有冲突.
同理: L5层对应的L6层处同样
不可铺铜.(如下图)
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12.常见的阻抗测试模组.
v
六层板(特性阻抗),内外层均控制阻抗,参考层在L3/L4,添加于折断边中
注意:
1:L1/L2的参考层均
是L3, 如上图所示,
为L1层的计算模组.
下图为L2层计算模
组.
2:在编辑中,L1所对
应的L2层
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12.常见的阻抗测试模组.
v
八层板(特性阻抗),内外层均控制阻抗,参考层在L2/L7,添加于折断边中
L1/L8用
L3/L4/L5/L6用
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12.常见的阻抗测试模组.
Creat By Jeanne
13:特性阻抗的测试
1:采TDR的量测
整体传输线中的特性阻抗值，不但须保持均匀性，而且还要使其数值落
在设计者的要求的公差范围内。其一般性的量测方法，就是使用“时域反
射仪”（Time Domain Reflectometry；TDR ）。此TDR可产生一种梯阶波
（Step Pulse或Step Wave），并使之送入待测的传输线中而成为入射波
（Incident Wave）。于是当其讯号线在线宽上发生宽窄的变化时，则萤
光幕上也会出现Z0欧姆值的上下起伏振荡。
2:低频无须量测Z0，高速才会用到TDR
当讯号方波的波长（λ读音
Lambda）远超过板面线路之长度时，则无需考虑到反射与阻抗控制等高
速领域中的麻烦问题。
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