微带线和带状线设计

带状线:走在内层(stripline/double stripline),埋在PCB内部的带状走线,如下图所示

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蓝色部分是导体,绿色部分是PCB的绝缘电介质,stripline是嵌在两层导体之间的带状导线。

因为stripline是嵌在两层导体之间,所以它的电场分布都在两个包它的导体(平面)之间,不会辐射出去能量,也不会受到外部的辐射干扰。但是由于它的周围全是电介质(介电常数比1大),所以信号在stripline 中的传输速度比在microstrip line中慢!

微带线:是走在表面层(microstrip),附在PCB表面的带状走线,如下图所示

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蓝色部分是导体,绿色部分是PCB的绝缘电介质,上面的蓝色小块儿是microstrip line。

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其中黄色部分是环氧有机材料。

由于microstrip line(微带线)的一面裸露在空气里面(可以向周围形成辐射或受到周围的辐射干扰),而另一面附在PCB的绝缘电介质上,所以它形成的电场一部分分布在空中,另一部分分布在PCB的绝缘介质中。但是microstrip line中的信号传输速度要比stripline中的信号传输速度快,这是其突出的优点.

人们撰写了大量文章来阐述如何端接PCB走线特性阻抗以避免信号反射。但是,妥善运用传输线路技术的时机尚未说清楚。

下面总结了针对逻辑信号的一条成熟的适用性指导方针。

当PCB走线单向传播延时等于或大于施加信号上升/下降时间(以最快边沿为准)时端接传输线路特性阻抗。

例如,在Er = 4.0介电质上2英寸微带线的延时约270 ps。严格贯彻上述规则,只要信号上升时间不到~500 ps,端接是适当的。

更保守的规则是使用2英寸(PCB走线长度)/纳秒(上升/下降时间)规则。如果信号走线超过此走线长度/速度准则,则应使用端接。

例如,如果高速逻辑上升/下降时间为5 ns,PCB走线等于或大于10英寸(其中测量长度包括曲折线),就应端接其特性阻抗。

在模拟域内,必须注意,运算放大器和其他电路也应同样适用这条2英寸/纳秒指导方针,以确定是否需要传输线路技术。例如,如果放大器必须输出最大频率fmax,则等效上升时间tr和这个fmax相关。这个限制上升时间tr可计算如下:

tr=0.35/fmax 等式1

然后将tr乘以2英寸/纳秒来计算最大PCB走线长度。例如,最大频率100 MHz对应于3.5 ns的上升时间,所以载送此信号的7英寸或以上走线应视为传输线路。

PCB板上受控阻抗走线的设计

在受控阻抗设计中,可以采用多种走线几何形状,既可与PCB布局图合二为一,也可与其相结合。在下面的讨论中,基本模式遵循IPC标准2141A的规定(见参考文献1)。

请注意,下面的图示中将使用术语“接地层”。需要了解的是,该接地层实际上是一个大面积、低阻抗的参考层。在实践中,可能是一个接地层或电源层,假定二者的交流电位均为零。

首先是简单的平面上布线形式的传输线路,也称微带线。图1所示为横截面视图。这类传输线路可能是实验板中使用的信号线。其构成非常简单,一条分立的绝缘线以固定间距分布于接地层上。介电质既可能是线材的绝缘层,也可能是该绝缘层与空气的结合体。

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图1:一种阻抗既定的微带线传输线路由一条分布于接地层的绝缘线形成

该线路的阻抗(单位:欧姆)可以用等式2估算。其中,D为导体直径,H为线材在接地层上的间距,­εr为介电常数。

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等式2

对于与PCB相融合的图形,有多种几何模型可供选择,分为单端和差分两类。这些在IPC标准2141A(见参考文献1)中有详细说明,这里对两个常见示例略加说明。

在开始进行任何基于PCB传输线路设计时,必须知道,有大量的等式都声称适用于此类设计。此时,一个极其重要的问题就是,“哪些等式是精确的呢?”不幸的是,没有一个等式是完全精确的!所有现有等式都是近似值,因而,其精度不尽相同,取决于具体情况。最知名也是引用最多的是参考文献1中给出的等式,但是,即使这些等式也存在一些应用问题。

参考文献2针对不同几何图形,在试验PCB样品上对参考文献1中的等式进行了评估。结果发现,预测精度因目标阻抗而异。下面引述的等式均来自参考文献1,这里只是作为设计的起点,实际设计时,还需要进一步的分析、测试和进行设计验证。原则就是,要仔细研究,谨慎面对PCB走线阻抗等式。

微带线PCB传输线路

对于其中一面为接地层的简单双面PCB设计,可以在另一面设计一条信号走线以控制阻抗。这种几何图形被称为表面微带,简称微带。

图2中的双层PCB横截面视图展示了这种微带几何图形。

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图2:一种阻抗既定微带传输线路由一条分布于接地层、采用适当几何图形的PCB走线形成

对于给定的PCB基板和铜重量,需要注意的是,W(信号走线宽度)以外的所有参数都是事先确定的。因而,可用等式3来设计一种PCB走线,以匹配电路要求的阻抗。若信号走线宽W、厚T,且由介电常数为­­εr的PCB电介质以距离H与接地层(或电源层)相分离,则其特性阻抗为:

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等式3

请注意,在这些表达式中,测量值均为常用单位(mil)。

这些传输线路不但有特性阻抗,也有特性电容。其计算单位为pF/in,如等式4所示。

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等式4

作为包括这些计算的示例,一块双层板可能用20 mil宽(W)、1盎司(T=1.4)的铜走线,并由10 mil (H) FR-4 (­­εr= 4.0)的介电材料分离。结果,该微带线的阻抗为50 Ω左右。对于其他标准阻抗(如75Ω的视频标准阻抗),使"W"调整为8.3 mil左右即可。

微带线设计的一些指导原则

本例涉及到一个有趣且微妙的要点。参考文献2讨论了与微带PCB阻抗相关的有用指导原则。若介电常数为4.0 (FR-4),结果显示,当W/H为2/1时,阻抗将接近50Ω­(与第一个示例类似,其中,W = 20 mil)。

仔细的读者会发现,根据等式3预测,Zo应为46Ω­左右,与参考文献2提到的精度(>5%)相吻合。IPC微带线等式在50Ω­与100 ­Ω之间最精确,但当阻抗低于或超过该范围时,其精度则大幅下降。

根据等式5,也可以计算微带线的传播延迟。这是微带信号走线的单向通过时间。有趣的是,对于给定的几何模型,延迟常数(单位:ns/ft)仅为介电常数而非走线维度的函数(见参考文献6)。请注意,这可以带来极大的便利。意味着,当给定PCB基板(并给定­εr)时,各种阻抗线路的传播延迟常数是固定不变的。

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等式5

该延迟常数也可以ps/in为单位,这样更适用于小型PCB。即:

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等式6

因此,举例来说,对于PCB介电常数4.0,不难发现微带线的延迟常数约为1.63 ns/ft,合136 ps/in。这两条额外的准则对于设计PCB走线中信号的时序具有参考意义。

对称带状线PCB传输线路

从多种角度来看,多层PCB是一种更好的PCB设计方法。在这种模式下,信号走线嵌入电源层与接地层之间,如图3中的横截面视图所示。低阻抗交流接地层和嵌入的信号走线形成一条对称带状线传输线路。

从图中可以看出,高频信号走线的电流回路直接位于接地层/电源层上的信号走线的上方和下方。因此,高频信号被完全限制在PCB板内部,结果使放射降至最低,为输入杂散信号提供了天然的屏障。

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Figure 3: A Symmetric Stripline Transmission Line With Defined Impedance is Formed by a PCB Trace of Appropriate Geometry Embedded Between Equally Spaced Ground and/or Power Planes

该设计的特性阻抗同样取决于几何图形以及PCB介电质的­­εr。该带状传输线路的ZO可表示为:

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等式7

这里的所有维度同样以mil为单位,B为两个层的间距。在这种对称几何图形中,需要注意的是,B同样等于2H + T。参考文献2指出,参考文献1中的这个等式的精度通常在6%左右。

适用于­εr= 4.0的对称带状线的另一条便利准则是,使B成为W的倍数,范围为2至2.2。结果将得到约50Ω的带状线阻抗。当然,这条法则是以另一近似法为基础的,忽略了T。尽管如此,该法则对于粗略估算还是很有用的。

对称带状线同样有一个特性电容,其计算单位为pF/in,如等式8所示。

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等式8

对称带状线的传播延迟如等式9所示。

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等式9

或者以ps为单位:

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等式10

当PCB介电常数为4.0时,可以发现,对称带状线的延迟常数几乎正好为2 ns/ft­,合170 ps/in。

走线嵌入法的利弊

根据上述讨论,在设计阻抗既定的PCB走线时,既可以置于一个表层之上,也可嵌入两层之间。当然,在这些阻抗因素之外,还有许多其他考虑因素。

嵌入式信号确实存在一个明显的大问题——隐藏电路走线的调试非常困难,甚至无法做到。图4总结了嵌入式信号走线的利弊。

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图4:多层PCB设计中嵌入与不嵌入信号走线的利弊

设计多层PCB时也可能不使用嵌入式走线,如最左边的横截面视图所示。可以将这种嵌入式设计看作一种双重双层PCB设计(共有四层铜)。顶部的走线与电源层构成微带,底部的走线则与接地层构成微带。在本例中,两个外层的信号走线可以方便地供测量和故障排查使用。但这种设计并未利用各层的屏蔽作用。

这种非嵌入式设计的辐射量较大,更容易受到外部信号的影响,而右侧的嵌入式设计采用了嵌入法,则很好地利用了各层的优势。就如诸多其他工程设计一样,PCB设计中到底采用嵌入法还是非嵌入法是折衷的结果。这里的折衷则体现在减少辐射与方便测试之间。

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