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PCB科普:為啥PCB走線時最好不要出現銳角和直角?

2018-01-12 10:26:16 發布者:廣東合通建業科技股份有限公司
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來源:網絡


  射頻、高速數字電路:禁止銳角、盡量避免直角

  如果是射頻線,在轉角的地方如果是直角,則有不連續性,而不連續性將易導致高次模的產生,對輻射和傳導性能都有影響。RF信號線如果走直角,拐角處的有效線寬會增大,阻抗不連續,引起信號反射。為了減小不連續性,要對拐角進行處理,有兩種方法:切角和圓角。圓弧角的半徑應足夠大,一般來說,要保證:R>3W


 

  銳角、直角走線

  銳角走線一般布線時我們禁止出現,直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況,也幾乎成為衡量布線好壞的標準之一,那么直角走線究竟會對信號傳輸產生多大的影響呢?

  從原理上說,銳角、直角走線會使傳輸線的線寬發生變化,造成阻抗的不連續。

  線寬變化導致阻抗變化

  當走線的等效寬度變化的時候,會造成信號的反射。我們可以看到:

  我們走線的時候,如果線寬發生變化,則會導致走線阻抗變化。

  微帶線(microstrip line)

  ?它由一根帶狀導線與地平面構成,中間是電介質。如果電介質的介電常數、線的寬度、及其與地平面的距離是可控的,則它的特性阻抗也是可控的,其精確度將在±5%之內。


 

  帶狀線(stripline)

  帶狀線就是一條置于兩層導電平面之間的電介質中間的銅帶。如果線的厚度和寬度,介質的介電常數,以及兩層接地平面的距離都是可控的,則線的特性阻抗也是可控的,且精度在10%之內。


 

  阻抗不連續就會反射

  銳角最差,直角次之,鈍角再次之,圓角再次之,直線最好。


 

  當驅動器發射一個信號進入傳輸線時,信號的幅值取決于電壓、緩沖器的內阻和傳輸線的阻抗。驅動器端看到的初始電壓決定于內阻和線阻抗的分壓。


 

  反射系數

  ?其中-1≤ρ≤1

  當ρ=0時無反射發生

  當ρ=1(Z 2 =∞,開路)時發生全正反射

  當ρ=-1(Z 2 =0,短路)時發生全負反射


 


 

  初始電壓,是源電壓Vs(2V)經過Zs(25歐姆)和傳輸線阻抗(50歐姆)分壓。

  Vinitial=1.33V

  后續的反射率按照反射系數公式進行計算


 

  源端的反射率,是根據源端阻抗(25歐姆)和傳輸線阻抗(50歐姆)根據反射系數公式計算為-0.33;

  終端的反射率,是根據終端阻抗(無窮大)和傳輸線阻抗(50歐姆)根據反射系數公式計算為1;

  我們按照每次反射的幅度和延時,在最初的脈沖波形上進行疊加就得到了這個波形,這也就是為什么,阻抗不匹配造成信號完整性不好的原因。


 

  由于連接的存在、器件管腳、走線寬度變化、走線拐彎、過孔會使得阻抗不得不變化。所以反射也就不可避免。


 

  除了反射還有什么原因么?

  直角走線的對信號的影響就是主要體現在三個方面

  一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負載,減緩上升時間;

  二是阻抗不連續會造成信號的反射;

  三是直角尖端產生的EMI

  四還有一種說法:銳角會在生產過程中,造成生產有腐蝕物殘留,不易加工,應該對于目前的PCB加工工藝來說不是什么困難,不作為理由。

  傳輸線的直角帶來的寄生電容可以由下面這個經驗公式來計算:

  C=61W(Er)1/2/Z0

  在上式中,C就是指拐角的等效電容(單位:pF)W指走線的寬度(單位:inch)εr指介質的介電常數,Z0就是傳輸線的特征阻抗。

  舉個例子,對于一個4Mils50歐姆傳輸線(εr4.3)來說,一個直角帶來的電容量大概為0.0101pF,進而可以估算由此引起的上升時間變化量:

  T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps

  通過計算可以看出,直角走線帶來的電容效應是極其微小的。

  由于直角走線的線寬增加,該處的阻抗將減小,于是會產生一定的信號反射現象,我們可以根據傳輸線章節中提到的阻抗計算公式來算出線寬增加后的等效阻抗,然后根據經驗公式計算反射系數:ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0),一般直角走線導致的阻抗變化在7%-20%之間,因而反射系數最大為0.1左右。而且,從下圖可以看到,在W/2線長的時間內傳輸線阻抗變化到最小,再經過W/2時間又恢復到正常的阻抗,整個發生阻抗變化的時間極短,往往在10ps之內,這樣快而且微小的變化對一般的信號傳輸來說幾乎是可以忽略的。

  很多人對直角走線都有這樣的理解,認為尖端容易發射或接收電磁波,產生EMI,這也成為許多人認為不能直角走線的理由之一。然而很多實際測試的結果顯示,直角走線并不會比直線產生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能,測試水平制約了測試的精確性,但至少說明了一個問題,直角走線的輻射已經小于儀器本身的測量誤差。


 

  總的說來,直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在非射頻及高速電路的應用中,其產生的任何諸如電容,反射,EMI等效應在TDR測試中幾乎體現不出來,高速PCB設計工程師的重點還是應該放在布局,電源/地設計,走線設計,過孔等其他方面。當然,盡管直角走線帶來的影響不是很嚴重,但并不是說我們以后都可以走直角線,注意細節是每個優秀工程師必備的基本素質,而且,隨著數字電路的飛速發展,PCB工程師處理的信號頻率也會不斷提高,到10GHz以上的RF設計領域,這些小小的直角都可能成為高速問題的重點對象。


來源:網絡

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201801/374363.htm

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