微帶線和帶狀線設(shè)計(jì)

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1、MT-094指南微帶線和帶狀線設(shè)計(jì)簡介人們撰寫了大量文章來闡述如何端接PCB走線特性阻抗以避免信號反射。但是，妥善運(yùn)用傳輸線路技術(shù)的時(shí)機(jī)尚未說清楚。下面總結(jié)了針對邏輯信號的一條成熟的適用性指導(dǎo)方針。當(dāng)PCB走線單向傳播延時(shí)等于或大于施加信號上升/下降時(shí)間(以最快邊沿為準(zhǔn))時(shí)端接傳輸線路特性阻抗。例如，在E=4.0介電質(zhì)上2英寸微帶線的延時(shí)約270ps。嚴(yán)格貫徹上述規(guī)則，只要信號上升r時(shí)間不到~500ps，端接是適當(dāng)?shù)?。更保守的?guī)則是使用2英寸(PCB走線長度)/納秒(上升/下降時(shí)間)規(guī)則。如果信號走線超過此走線長度/速度準(zhǔn)則，

2、則應(yīng)使用端接。例如，如果高速邏輯上升/下降時(shí)間為5ns，PCB走線等于或大于10英寸(其中測量長度包括曲折線)，就應(yīng)端接其特性阻抗。在模擬域內(nèi)，必須注意，運(yùn)算放大器和其他電路也應(yīng)同樣適用這條2英寸/納秒指導(dǎo)方針，以確定是否需要傳輸線路技術(shù)。例如，如果放大器必須輸出最大頻率f，則等效上升時(shí)max間tr和這個(gè)f相關(guān)。這個(gè)限制上升時(shí)間t可計(jì)算如下：maxrtr=0.35/fmax等式1然后將t乘以2英寸/納秒來計(jì)算最大PCB走線長度。例如，最大頻率100MHz對應(yīng)于3.5ns的r上升時(shí)間，所以載送此信號的7英寸或以上走線應(yīng)視為傳輸線

3、路。PCB板上受控阻抗走線的設(shè)計(jì)在受控阻抗設(shè)計(jì)中，可以采用多種走線幾何形狀，既可與PCB布局圖合二為一，也可與其相結(jié)合。在下面的討論中，基本模式遵循IPC標(biāo)準(zhǔn)2141A的規(guī)定(見參考文獻(xiàn)1)。Rev.0,01/09,WKPage1of7MT-094請注意，下面的圖示中將使用術(shù)語接地層。需要了解的是，該接地層實(shí)際上是一個(gè)大面積、低阻抗的參考層。在實(shí)踐中，可能是一個(gè)接地層或電源層，假定二者的交流電位均為零。首先是簡單的平面上布線形式的傳輸線路，也稱微帶線。圖1所示為橫截面視圖。這類傳輸線路可能是實(shí)驗(yàn)板中使用的信號線。其構(gòu)成非常簡單

4、，一條分立的絕緣線以固定間距分布于接地層上。介電質(zhì)既可能是線材的絕緣層，也可能是該絕緣層與空氣的結(jié)合體。DWIREDIELECTRICHGROUNDPLANE圖1：一種阻抗既定的微帶線傳輸線路由一條分布于接地層的絕緣線形成該線路的阻抗(單位：歐姆)可以用等式2估算。其中，D為導(dǎo)體直徑，H為線材在接地層上的間距，ε為介電常數(shù)。r等式2對于與PCB相融合的圖形，有多種幾何模型可供選擇，分為單端和差分兩類。這些在IPC標(biāo)準(zhǔn)2141A(見參考文獻(xiàn)1)中有詳細(xì)說明，這里對兩個(gè)常見示例略加說明。在開始進(jìn)行任何基于PCB傳輸線路設(shè)計(jì)時(shí)，必須

5、知道，有大量的等式都聲稱適用于此類設(shè)計(jì)。此時(shí)，一個(gè)極其重要的問題就是，哪些等式是精確的呢？不幸的是，沒有一個(gè)等式是完全精確的！所有現(xiàn)有等式都是近似值，因而，其精度不盡相同，取決于具體情況。最知名也是引用最多的是參考文獻(xiàn)1中給出的等式，但是，即使這些等式也存在一些應(yīng)用問題。參考文獻(xiàn)2針對不同幾何圖形，在試驗(yàn)PCB樣品上對參考文獻(xiàn)1中的等式進(jìn)行了評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)測精度因目標(biāo)阻抗而異。下面引述的等式均來自參考文獻(xiàn)1，這里只是作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還需要進(jìn)一步的分析、測試和進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。原則就是，要仔細(xì)研究，謹(jǐn)慎面對PCB走線

6、阻抗等式。Page2of7MT-094微帶線PCB傳輸線路對于其中一面為接地層的簡單雙面PCB設(shè)計(jì)，可以在另一面設(shè)計(jì)一條信號走線以控制阻抗。這種幾何圖形被稱為表面微帶，簡稱微帶。圖2中的雙層PCB橫截面視圖展示了這種微帶幾何圖形。TRACEWTDIELECTRICHGROUNDPLANE圖2：一種阻抗既定微帶傳輸線路由一條分布于接地層、采用適當(dāng)幾何圖形的PCB走線形成對于給定的PCB基板和銅重量，需要注意的是，W(信號走線寬度)以外的所有參數(shù)都是事先確定的。因而，可用等式3來設(shè)計(jì)一種PCB走線，以匹配電路要求的阻抗。若信號走線

7、寬W、厚T，且由介電常數(shù)為ε的PCB電介質(zhì)以距離H與接地層(或電源層)相分離，則其特r性阻抗為：等式3請注意，在這些表達(dá)式中，測量值均為常用單位(mil)。這些傳輸線路不但有特性阻抗，也有特性電容。其計(jì)算單位為pF/in，如等式4所示。等式4作為包括這些計(jì)算的示例，一塊雙層板可能用20mil寬(W)、1盎司(T=1.4)的銅走線，并由10mil(H)FR-4(ε=4.0)的介電材料分離。結(jié)果，該微帶線的阻抗為50左右。對于其他標(biāo)r準(zhǔn)阻抗(如75的視頻標(biāo)準(zhǔn)阻抗)，使"W"調(diào)整為8.3mil左右即可。Page3of7MT-09

8、4微帶線設(shè)計(jì)的一些指導(dǎo)原則本例涉及到一個(gè)有趣且微妙的要點(diǎn)。參考文獻(xiàn)2討論了與微帶PCB阻抗相關(guān)的有用指導(dǎo)原則。若介電常數(shù)為4.0(FR-4)，結(jié)果顯示，當(dāng)W/H為2/1時(shí)，阻抗將接近50(與第一個(gè)示例類似，其中，W=20mil)。仔細(xì)的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)等式3預(yù)測，Z應(yīng)為46