信號傳輸線及其特性阻抗

1、信號傳輸線及其特性阻抗隨著電子產(chǎn)品小型化、數(shù)字化、高頻化和多功能化等的快速發(fā)展與進步，作為電子產(chǎn)品中電氣的互連件一PCB中的導(dǎo)線的作用，已不僅只是電流流通與否的問題，而且是作為“傳輸線”的作用。也就是說，對于高頻信號或高速數(shù)字信號的傳輸用的PCBt電氣測試，不僅要測試線路的“通”、“斷”、“短路”等是否合乎要求，而且還要其“特性阻抗值”是否合乎要求，只有這兩方面都“合格”了，PCBt符合允收性。1、信號傳輸線的提出1.1 信號傳輸線的定義這是為了區(qū)別常規(guī)導(dǎo)線而提出的名稱。按IPC-2141的3.4.4條的定義：“當(dāng)信號在PCB#線中傳輸時，若導(dǎo)線的長度接近信號波長的1/7,此時的導(dǎo)線便成為信號

2、傳輸線”了。有的文獻認為，導(dǎo)線的長度接近波長的1/10時，應(yīng)按信號傳輸線處理。顯然，后者更嚴格（顯得過分），但大多數(shù)人認定為前者。大家知道，電流通過導(dǎo)體時，會受到一個“阻力”，在直流電中是電阻，符合歐姆定律。即：R=V/I在交流電中的“阻力”是由“電阻”、“感抗”和“容抗”的綜合結(jié)果，即：Z=R2+（XL-XQ21/21.2 信號傳輸線的判斷元件有很高頻率信號傳輸，但經(jīng)過導(dǎo)線傳輸后，頻率下降（時間延遲）了，導(dǎo)線越長，時間延長越厲害，當(dāng)導(dǎo)線的長度接近于波長時，或信號速度（頻率）提高到某一范圍時，傳輸?shù)男盘柋銜霈F(xiàn)明顯的“失真”。高頻信號的傳輸假設(shè)：(一)元件的信號傳輸頻率f=10MHZ導(dǎo)線L=5

3、0cm,則C=f*入入=C/f入/L=C/f*L=60屬于常規(guī)導(dǎo)線。元件的信號傳輸頻率f=1GHZ,導(dǎo)線白長度L=10cm則入/L=C/f*L=3不屬于常規(guī)導(dǎo)線，應(yīng)進行特性阻抗值控制的傳輸線。脈沖信號的傳輸。在數(shù)字電路中從“0”到“1”的上升時間tr是很短的.但可用下面公式來計算頻率fmax：fmax=0.35/tr假設(shè)：元件的上升時間tr是=2ns,貝Ufmax=0.35/tr=175MHZL=C/fmax*7=24.5cm當(dāng)導(dǎo)線長度為24.5cm時，應(yīng)作為信號傳輸線處理。目前：TTL(transister-transisterlogic)的tr為4nsf1ns0.5ns-ECL(emitt

4、er-coupledlogic)的tr為3ns-1ns-0.5ns-信號傳輸線必須進行特性阻抗值控制如果不進行特性阻抗值控制時，在線路中產(chǎn)生的信號“反射”，會“抵消”正在傳輸信號。入/L比率越小，“反射”越嚴重，則會產(chǎn)生如下問題：信號（或能量）傳輸效率明顯下降；由于反復(fù)干擾（抵消）信號傳輸，將隨著頻率增加而嚴重化；部分“能量”是會以電磁波輻射出去，在內(nèi)部導(dǎo)線或網(wǎng)絡(luò)之間形成EMI。1.3、 信號普通線與信號傳輸線的差別信號普通線與信號傳輸線的差別主要有三個方面：信號普通線是指第一信號傳輸被接受完成后，才發(fā)送第二個信號，因此第一個信號傳輸過程中的“反射”信號，不會抵消第二個信號。而信號傳輸線的特征

5、是第一個信號傳輸還沒有被接受，就發(fā)送第二個信號，因此第一信號傳輸過程中產(chǎn)生的“反射”信號就可抵消第二個信號而削弱了第二個信號，頻率越快的傳輸信號，則“失真”就越多，甚至信號消失。信號普通線，由于信號傳輸速度慢，“反射”信號不會抵消后面?zhèn)鬏數(shù)男盘?。因此，?dǎo)線的粗細、缺陷（缺口、針孔）等是允許某些程度存在著。而在信號傳輸線中，這些粗細、缺陷等要進行十分嚴格的要求。信號普通線，不要求特性阻抗值控制，只要求“通”、“斷”、“短路”的電氣測試。而信號傳輸線要求特性阻抗值控制，即除了要求“通”、“斷”、“短路”的電氣測試外，還必須有特性阻抗值控制的測試。2、PCB中特性阻抗值Z0的設(shè)計2.1、 Z0的的結(jié)

6、構(gòu)類型與計算方法主要有兩種：微帶線和帶狀線及其派生的各種各樣的結(jié)構(gòu)，如何選用，應(yīng)視元件和電子產(chǎn)品而定。微帶線（適合Z0較大的場合）。Z0=87/（er+1.41）1/2ln5.98H/（0.8W+T）帶狀線（適合Z0較小的場合）。Z0=60ln4D/0.67冗（0.8W+T）公式中的D為介質(zhì)量層厚度。2.2、 微帶線的的結(jié)構(gòu)與計算方法根據(jù)信號傳輸線的不同位置可以形成各種各樣的結(jié)構(gòu)及其計算方法（參見現(xiàn)代印制電路基礎(chǔ)一書第十四章）。2.3、 特性阻抗值Z0的一般設(shè)計規(guī)則選用合適的基板（CCL材料和PCB結(jié)構(gòu)，確定信號傳輸線的長度等以確定PCB尺寸。合理的布局與布線，使每組（網(wǎng)絡(luò)）導(dǎo)線的特性阻抗值Z

7、0與元（組）件的特性阻抗值相匹配。應(yīng)考慮基板材料品質(zhì)的不穩(wěn)定波動、PCB制造過程的偏差與控制和PCB設(shè)計的因素等帶來在PCE特性阻抗值Z0偏差的補救與修正的措施和辦法。3、信號傳輸線的布設(shè)3.1、 號傳輸線的長度越短越好根據(jù)信號“傳輸線”的定義，信號線布設(shè)得很短，使其長度小于1/7傳輸信號波長，便可消除傳輸信號被“反射”信號而削弱問題?；蛘哒f，信號線布設(shè)，其長度短到小于1/7傳輸信號波長，則其布設(shè)的導(dǎo)線便可按普通線處理。如何使信號線布設(shè)得更短呢！除了高頻的元件合理布設(shè)外，應(yīng)在PCB&上的互連結(jié)構(gòu)上下工夫，如采用埋/盲孔、盤內(nèi)孔(holeinpad)、疊孔和HDI/BUM等結(jié)構(gòu)來縮短走線

8、。3.2、 高密度布線，介質(zhì)層越薄，串?dāng)_越小介質(zhì)層越厚，電磁交叉感應(yīng)越強，串?dāng)_越嚴重！介質(zhì)層要薄，必須選擇低er材料。3.3、 采用非平行走線密集的平行走線將帶來更大的電感與電容，從而產(chǎn)生更大的串?dāng)_，也是產(chǎn)生雜音的原因之一。應(yīng)采用：相鄰的導(dǎo)線層之間互為直角布設(shè)；同一層上采用階梯式斜向(45度)布設(shè)；通過導(dǎo)通孔的絞線布設(shè)。3.4、 采用差分傳輸線采用差分傳輸線可以明顯減小傳輸線的干擾，這在高頻和高速數(shù)字的信號傳輸中非常重要。差分傳輸線可以明顯減小傳輸線中信號的干擾，提高傳輸信號的完整性，這是PCB設(shè)計者所熟悉的。但是，不同差分傳輸線減小干擾信號的程度是不同的。為了減小對傳輸信號的“共?！备蓴_，采

9、用的差分傳輸線，主要應(yīng)做到如下四個：（一）形狀和長度相同，做到“共?！惫战牵床灰剐螤詈烷L度不相同而引起“共?！备蓴_；（二）由直角改為45度角，實驗表明，其“共?！备蓴_可降低50%（三）采用補償電容，如在拐角的短線加一個合適的電容，可降低干擾；（四）形成雙絞方式差分傳輸線。雙絞差分傳輸線。采用通孔在不同層之間來形成雙絞差分傳輸線是目前最有效地降低干擾信號的方法。有偏位（移）雙絞差分傳輸線。又可稱為常規(guī)雙絞差分傳輸線。沒有偏位（移）雙絞差分傳輸線?？色@得較好的降低信號干擾。4、特性阻抗值Z0對基板（CCL材料的要求從Z0=87/（er+1.41）1/2ln5.98H/（0.8W+T）公式中可以

10、看出：影響特性阻抗值Z0的主要因素：（一）介電常數(shù)er;（二）介質(zhì)層厚度H;（三）信號傳輸線的寬度W（四）信號傳輸線的厚度。這些表明：特性阻抗值Z0與基板材料是息息相關(guān)著。實驗也表明，影響特性阻抗值Z0從大到小是9（二）、（三）、（一）、（四）順序排列的。4.1、 電常數(shù)er對特性阻抗值Z0的影響介電常數(shù)£r影響著信號的傳輸速度。信號的傳輸速度是隨著介電常數(shù)£r的增加而下降。根據(jù)電磁波理論中的馬克斯威爾公式，即：Vs=c/（£r）1/2表1介電常數(shù)£r的大小是復(fù)合材料的“加權(quán)和”。這就是說，介電常數(shù)£r的大小是與介質(zhì)層的組成、結(jié)構(gòu)（復(fù)合組成與結(jié)

11、構(gòu)）有關(guān)。如FR-4材料中，由于采用E-玻纖布的結(jié)構(gòu)（如7628、2116、1080、106等）不同,其樹脂含量是不同的，因此，其介電常數(shù)£r值是不一樣的。對于嚴格控制特性阻抗值Z0來說，PC限計和制造都應(yīng)該了解和加以計算，才能獲得更精準(zhǔn)的控制與結(jié)果。£r值變動的大小比其它因素影響大，位居第三位。介電常數(shù)£r對特性阻抗值Z0的影響可以從Z0的公式中看出來：Z0=87/(er+1.41)1/2ln5.98H/(0.8W+T)顯然，介電常數(shù)£r值越小，Z0值越大，£r值變動的大小影響大，應(yīng)加以認真控制。4.2、 介質(zhì)厚度對特性阻抗值Z0的影響從Z0

12、的公式中可看出，Z0的值是與介質(zhì)厚度H的自然對數(shù)成正比的。在相同的厚度下，微帶線有較大的Z0值。厚度偏差對Z0值的影響是處于第一位的，因此必須很好控制介質(zhì)層的厚度。但由于厚度偏差主要是由CCL制造商，其次是PCB制造者(多層壓板)來控制的，一般偏差可控制在較小的范圍內(nèi)。4.3、 導(dǎo)線厚度對特性阻抗值Z0的影響從Z0的公式中可看出,Z0的值是隨著導(dǎo)線厚度T的減少而增加著。在相同的厚度下，微帶線有較大的Z0值。厚度偏差對Z0值的影響是最小的。4.4、 導(dǎo)線寬度對特性阻抗值Z0的影響從Z0的公式中可看出，Z0的值是隨著導(dǎo)線寬度W的下降而增加。計算與實驗表明，導(dǎo)線寬度W寸特性阻抗值Z0的影響是最大的導(dǎo)

13、線寬度W是PCBfe產(chǎn)最難控制的，也是最需要進行控制的。導(dǎo)線寬度偏差控制的意義。導(dǎo)線寬度偏差控制的意義，在某種程度上是控制了PCB（OEM設(shè)計）的特性阻抗值Z0的范圍。因為選定CCL材料和完成PC限計之后，這意味著：介電常數(shù)er值、介質(zhì)厚度H值和導(dǎo)線厚度T值等基本不變，或變動不大；導(dǎo)線寬度偏差最大，也最難控制，因為制造過程長、影響多。導(dǎo)線較長又是用來傳輸信號的，導(dǎo)線寬度偏差是影響特性阻抗值Z0的最大因素。所以，導(dǎo)線寬度偏差值的控制是當(dāng)今HDI/BUM反的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)線寬度偏差的控制。導(dǎo)線寬度尺寸的迅速縮小，其控制越難，屬于“精細”節(jié)距的控制常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)越來越不能滿足精細導(dǎo)線的要求了。激光直接成像技術(shù)是目前最好的制造精細導(dǎo)線的選擇。5、特性阻抗值Z0的測試5.1、 特性阻抗的測試樣板特性阻抗的測試樣板可按IEC61188-1-2規(guī)定進行。IPC-D-275（四種電路板傳輸線），IPC-D-317（高速電路板設(shè)計規(guī)范中傳輸線的種類）和IPC-TM-650等也作了規(guī)定。5.2、 特性阻抗的測試儀目前是以英國Polar公司生產(chǎn)的特性阻抗測試儀。它是由時域反射計（TDR、臺式計算機和特制的附有1米長電纜測試探頭以及待測的樣板（或互連板）等組成。特性阻抗的測試原理是由時域反射計（TDR向印制板發(fā)射出一個信號電壓（高頻信號或高速脈沖信號的電壓），測