信號傳輸線和其特性阻抗

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1、信號傳輸線及其特性阻抗林金堵隨著電子產(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(jìn)步，作為電子產(chǎn)品中電氣的互連件—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PCB之電氣測試，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，PCB才符合允收性。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PC

2、B導(dǎo)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)線便成為信號傳輸線”了。有的文獻(xiàn)認(rèn)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(yán)格（顯得‘過分’），但大多數(shù)人認(rèn)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-XC）2〕1/21.2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

3、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”。⑴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=50cm,則C=f*λλ=C/fλ/L=C/f*L=60屬于常規(guī)導(dǎo)線。（二）元件的信號傳輸頻率f=1GHZ，導(dǎo)線的長度L=10cm,則λ/L=C/f*L=3不屬于常規(guī)導(dǎo)線，應(yīng)進(jìn)行特性阻抗值控制的傳輸線。⑵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，則fmax=0.

4、35/tr=175MHZL=C/fmax*7=24.5cm當(dāng)導(dǎo)線長度≥24.5cm時，應(yīng)作為信號傳輸線處理。目前：TTL（transister-transisterlogic）的tr為4ns→1ns→0.5ns→ECL(emitter-coupledlogic)的tr為3ns→1ns→0.5ns→⑶信號傳輸線必須進(jìn)行特性阻抗值控制。如果不進(jìn)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。λ/L比率越小，“反射”越嚴(yán)重，則會產(chǎn)生如下問題：①信號（或能量）傳輸效率明顯下降；②由于反復(fù)干擾（抵消）信號傳輸，將

5、隨著頻率增加而嚴(yán)重化；③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。1.2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：⑴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。⑵信號普通線，由于信號傳輸速度慢，“反射”信號不

6、會抵消后面?zhèn)鬏數(shù)男盘枴Ｒ虼?，?dǎo)線的粗細(xì)、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(xì)、缺陷等要進(jìn)行十分嚴(yán)格的要求。⑶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。2PCB中特性阻抗值Z0的設(shè)計2.1Z0的的結(jié)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/（εr+1.4

7、1）1/2}ln{5.98H/(0.8W+T)}帶狀線（適合Z0較小的場合）。Z0=60ln{4D/[0.67π(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⑴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。⑵合理的布局與布線，使每組（網(wǎng)絡(luò)）導(dǎo)線的特性阻抗值Z0與元（組）件的特性阻抗值相匹配。⑶應(yīng)考慮基板材料品質(zhì)的不穩(wěn)定波動、PCB

8、制造過程的偏差與控制和PCB設(shè)計的因素等帶來在PCB中特性阻抗值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信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