我相信自己对信号完整性和可控阻抗略知一二，所以很高兴能借此机会参加此次有教育意义的线上研讨会，希望能扩展我的知识。但研讨会结束后，我才惊讶地发现自己所知甚少，而线上研讨会是极佳的学习机会。

此次线上研讨会由NCAB Group、Polar Instruments公司和Phoenix Contact公司联合举办，共有3位专家就信号完整性的理论基础、全球PCB供应商提供的客户技术及工程支持，以及高速数据连接器的设计和优化分享了知识、经验。

德国Phoenix Contact公司的市场宣传及媒体管理团队负责人Anna Brockman主持此次研讨会。

 

Anna Brockman

 

奥地利Polar Instruments公司董事总经理Hermann Reischer阐释了信号完整性及受控阻抗的基本原理。他将该主题分解为最基本的要素，并借助易于理解的插图，用通俗易懂的语言加以解释。

 

Hermann Reischer

 

在高速要求的背景下，例如汽车雷达应用中的77GHz模拟频率，以及皮秒上升时间不断提高的数字数据速率，PCB已不再是无源互连基板，而成为复杂的产品组成部分。当PCB走线的物理长度与传输信号的电波长相同时，PCB走线的行为类似于传输线。

他探讨了传输线的特性：除了其直流电阻外，它还经历了传播延迟，具体取决于其周围材料的介电特性，这也导致了损耗，以及铜粗糙度和线路长度造成的损耗。传输线的特性阻抗由走线宽度、介电间距和相对介电常数决定。为了确保信号的完整性，需要考虑所有这些参数，随着频率的增加，信号的完整性变得越来越难以维持。PCB材料选择和叠层、走线宽度、介质分离、设计和布局以及元件放置都非常关键。

Reischer解释了如何将传输线视为一系列电感器和电容器，介绍了信号如何沿着传输线传播，为每个串连的电容器要素充电。其目标是在整个线路长度上实现恒定阻抗，具有均匀的电压和电流波，以确保良好的信号完整性。电磁波的传播速度是光速和介质介电常数的函数，空气或真空的介电常数为1.0。在相对介电常数约为4.0的典型PCB材料中，传播速度从光速降低到光速的一半左右。

“临界线路长度”与信号的上升时间有关，超过该长度，导体将被视为传输线。早期的半导体器件的上升时间约为5纳秒，带宽为70 MHz，临界长度为36厘米。目前砷化镓器件的上升时间为0.3纳秒，带宽为1.166 GHz，临界长度为2厘米。

 

 

他阐明了低速和高速信号之间传播特性的差异，解释了电磁波在阻抗不连续处的反射方式。阻抗匹配提供了解决方案，他给出了典型传输系统的例子，其中源端、传输线和终端的阻抗匹配为50欧姆。这在射频环境中是通用的；视频应用中通常为75欧姆，USB传输为90欧姆，以太网为100欧姆。

Reischer评论说，他的系统示例说明了举办线上研讨会的3家公司之间的重要互动：Phoenix Contact提供互连，NCAB Group提供PCB， Polar Instruments提供计算阻抗的仿真工具。

那么，如何确保传输路径具有适当的阻抗？他列举了熟知的同轴电缆实例，其阻抗由几何形状和绝缘材料的介电常数决定，并演示了如何将这些原理应用于偏移带状线形式的PCB平面结构。他展示了一系列“单端”结构的例子。相比之下，数字传输系统中广泛使用的“差分”结构通常由2个并行运行的走线和1个耦合电容器组成。差分信号的优点包括提高抗噪性、降低电压要求和更高的数据速率。

Reischer列出了影响阻抗的因素。走线宽度影响最显著，并且易于修改。介质厚度、相对介电常数和铜厚度由材料选择决定，蚀刻因子取决于工艺。阻焊层厚度可能会对边缘耦合微带设计的性能产生显著影响，如果PCB结构中嵌入了类似的特征，则局部富树脂区域也会产生影响。他介绍了多层压合过程中树脂分布和厚度控制的实际问题。

导通的波长与信号的波长相比非常小，因此除了在极高的频率下，通常可以被忽略。但在厚板上，当导通孔桩长度接近四分之一信号波长时，它们可能会引起不良的共振。背钻孔是用来缓减这些影响的技术。

未来的挑战包括更严格的阻抗公差规范、更低的介质厚度和更窄的走线宽度。频率超过5GHz会导致传输线“有损耗”；使用新的基材可以降低介质损耗，更光滑的铜可以减少趋肤效应，但这两种方法都会增加材料成本。从设计的角度来看，Reischer建议保持走线尽可能短，并确保信号返回路径不中断。出于各种原因，人们倾向于在内层放置临界线。他还强调了在开始布局之前，向PCB供应商咨询堆叠设计和材料选择的重要性。

 

Reischer的演讲为阻抗控制和信号完整性概念提供了全面的理论知识背景。在开始布局之前，他关于咨询PCB供应商的总结意见为NCAB Group Benelux的工程经理Michiel Op den Camp提供了完美的机会，让观众了解像NCAB这样的主要供应商在PCB设计、报价和生产阶段可以向客户提供技术支持。在这种情况下，特别关注的焦点是信号完整性。

 

Michiel Op den Camp

 

他回顾了受控阻抗产品需求的历史，在20世纪90年代，只有10%~20%的设计有这种要求，而如今传输率的要求将这一比例提高到了80%~90%。在28GHz下的5G网络更需要关键的PCB性能。他给出的示意图表明了过去50年PCB设计挑战与设计工具的发展，说明随着复杂性的增加，风险范围也在迅速增长。

可以采取什么措施来最大限度地降低这种风险，避免过度指定或指定不足的设计？答案是在项目中尽早咨询PCB供应商的应用工程专家，让他们计算并推荐最佳材料和叠层，以实现经济高效的性能和可靠性，以及最短的上市时间。他表示，NCAB制定的标准在技术要求和质量保证方面都比IPC标准更严格。在有特殊要求的情况下，他们会向现场工程专家提供针对具体应用的咨询。Op den Camp给出了数据大于2.3 Gbps且阻抗公差为5%的设计案例。

他提出的另一个重要观点是，为批量生产提供的许多设计都基于样品供应商的生产能力，而在大批量生产环境中，这些供应商所能实现的良率可能并不具备经济效益。同样，早期咨询可以提高批量生产设计的适用性，并提高良率和节约成本。

他举例说明了在高模拟频率下运行的产品及高速数字应用的产品设计，讨论了混合结构和低损耗材料。

他给出的相对介电常数与频率的关系图，对于FR-4材料，当频率超过2GHz时，介电常数“并非真正恒定”，因此需要具有更好及更一致介电性能的材料。对于低损耗材料，关系图中，三角形底部为FR-4级，顶部为PTFE级，许多专利产品处于中间水平。不仅价格，而且供应情况都可能影响选择，他再次强调在指定特定专有材料之前咨询PCB供应商的重要性。

在谈到玻纤增强材料的特性时，他举例说明了玻纤和树脂含量如何导致介电常数的局部变化，从而保证嵌入导体的阻抗均匀性。

他讨论了元件布置和导体布线的细节，给出了优化信号完整性的好方法及坏方法的例子。很明显，Op den Camp作为一名设计师，除了了解材料和制造技术的外，还拥有高水平的专业知识。他赞同Hermann Reischer关于背钻导通孔短桩好处的观点，并建议移除高速导通孔上的非功能性焊盘。

NCAB网站有一系列可下载的设计规则和指南，他们的应用工程师总是在现场回答特定的问题。

 

了解了信号完整性和受控阻抗的理论背景，总结了高速应用PCB的设计和制造的实际生产后，仍需探索确保信号通过互连元件时的完整性的技术。Phoenix Contact公司数据连接器设计和优化专家Sebastian Stamm做了最后的演讲。

 

Sebastian Stamm

 

他首先明确表示，尽管信号完整性是非常重要的考虑因素，但它也是许多产品的要求之一。成本和安装空间是降低设计自由度的因素。因此，目标不是以任何代价实现信号完整性，而是生产具有高信号完整性的面向应用的连接器。他在显示传输长度与传输速度的图上指出了具有不同要求的不同应用的实例。

每个连接器都有自己的阻抗曲线，这取决于位置。影响因素包括传输频率、几何形状和材料，以及元件的排列。虽然PCB阻抗通常可被视为二维特性，但二维不足以描述连接器的特性。Stamm展示了用时域反射计测量的工业5类连接器的阻抗曲线，并解释了与标称值100欧姆的偏差。

在讨论因果机制时，他描述了连接器的阻抗曲线如何取决于传输频率，因为相对介电常数依赖于频率，并且随着脉冲上升时间的缩短，可以看到更短的不连续性，这些导致与标称阻抗的偏差更大。他用图表说明了结果。

对于标准的板对板连接器设计，确切的应用和传输频率并不总是已知的，但目标是在一个产品系列中实现相同的阻抗曲线，以便在不影响信号完整性的情况下可拥有可扩展器件设计的优势。

对于线与板连接器，规定了传输频率和回波损耗等要求，目标是优化阻抗曲线，直到满足传输要求。他以单对以太网连接器为例。

连接器的阻抗分布受信号线几何结构及其对单位长度电容和电感的影响，信号导体之间或与接地层之间的小间隙可能导致较低的阻抗值。有时，由于可供安装的空间较小，连接器的阻抗值太低。Stamm解释了如何通过有针对性地调整几何形状来优化阻抗，同样是为了实现系列产品的一致阻抗曲线。

接下来，他介绍了材料和元件排列的各种影响，最后提到在一个开发项目中，关于接触长度差异对运行时间和传播延迟影响的调查。据观察，延迟偏差比传播延迟小80倍，在实际应用中可以忽略不计。

正式演讲结束后，Anna Brockman主持了公开讨论，邀请观众提问，专家现场回答问题。

我认为这场线上研讨会信息丰富、内容全面，整个主题结构合理有效。我学到了很多知识，填补了我许多的知识空白。感谢主办方举办的精彩活动。 

 

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