《FPGA全程进阶---实战演练》之搞定阻抗匹配

笔者最近几天在做视频采集板卡时，视频显示端打算采用 USB2.0接口+上位机显示，其中USB需要做阻抗匹配。通常情况下USB的阻抗值需要做到90Ω±10%。下面就讲解一下关于阻抗匹配的知识，哪里说得不对的，还望大家批评指正。

在高速电路中，如USB、HDMI、DDR、LVDS设计中往往要注意阻抗匹配问题，高频信号在传输线中传播时所遇到的阻力称为特性阻抗，包括容抗，感抗，阻抗。为了保证信号在传输过程中不发生反射现象，信号尽量保持完整，降低传输损耗，要对印刷电路板进行阻抗匹配。阻抗匹配的目的主要在于传输线上所有高频微波信号都能达到负载点，不会有信号反射回源头。其中通常情况下，USB/DDR的阻抗值保持在90Ω±10%。HDMI/LVDS保持在100Ω±10%。

影响阻抗的关键因素如图25.1所示，主要有：线宽（W），线距（S），线厚（T），介质常数（Dk/Er），介质厚度（H），那么阻抗和线宽（W），线距（S），线厚（T），介质常数（Dk/Er）成反比，和介质厚度（H）成正比。

图25.1 阻抗影响因素

图25.2 阻抗相关因素

阻抗匹配的方法：1.凭经验值；2.交给PCB厂商；3.结合SI9000进行系统的理论计算。那么本节主要是讲解关于SI9000的使用。

图25.3所示是不同板厚各参数的设置，此图不是标准，仅此作为讲解用，由图中可见1.2mm厚的板子和1.6mm的板子也就是绝缘层的厚度不一样而已，其他参数保持一致。若是用过Altium的朋友，应该还记得在设置层的时候，有一个core和Prepreg，如图25.4所示，core和prepreg的区别在于，虽都是绝缘材料，但core可以两面均有铜箔走线，prepreg为纯绝缘材料，不走任何铜箔线。

图25.3 四层板不同板厚各参数

图25.4 altium中四层板各参数

图25.5 是SI9000界面的一些介绍。

图25.5 SI9000界面

通常会将电源层和地层作为信号层电流回流路径和阻抗参考层，一般采用地层作为参考层或电流回流路径。如果必须采用电源层作为参考或信号回流的路径，注意不要让高速信号走线耦合噪声到电源平面。

那么下面就结合基于USB视频采集板卡说明一下阻抗的计算以及线宽和间距问题。

图25.6 USB2.0硬件搭建

如上图25.6所示是USB2.0硬件电路图，其中DPLUS和DMINUS布线的好坏直接决定了最终的传输速度。关于USB硬件布线以及相关的设计，读者可以参考Cypress相关文件内容。如图25.7所示。

图25.7 相关参考资料

在PCB面板上，USB的D+（DPLUS）D-(DMINUS)就是两根导线，一般平行放置，影响D+（DPLUS）与D-(DMINUS)差分阻抗的因素和之前提到的一样。

借助电磁波原理中微波传输带的2D模型来计算，单根阻抗计算公式如下:

差分阻抗模型如下图25.8所示。

图25.8 差分阻抗模型

差分阻抗计算公式如下：

了解了上述的原理之后，我们可以直接采用SI9000此软件去计算，不用去记住那些繁琐公式，不过从上述公式中，也可以看出阻抗的影响因素和一开始提到的影响因素是一致的。

笔者设计的四层板的排列方式：top layer（signal layer）---power plane （inner plane）---GND layer ---bottom layer （signal layer），所以笔者在计算阻抗时，电源层和地层均可选择参考平面，上下对称，所以计算top layer（signal layer）---power plane （inner plane）即可，当然也可以计算GND layer ---bottom layer （signal layer）。

打开SI9000软件(软件可以网上下载)，先计算单端阻抗，实际的模型中，厂商往往会在顶层涂一层绿油，所以实际模型如下图25.9所示：