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PCB走線寬度變化產生的反射

發表時間:2018-09-16 07:36

在進行PCB布線時,經常會發生這樣的情況:走線通過某一區域時,由于該區域布線空間有限,不得不使用更細的線條,通過這一區域后,線條再恢復原來的寬度。走線寬度變化會引起阻抗變化,因此發生反射,對信號產生影響。那么什么情況下可以忽略這一影響,又在什么情況下我們必須考慮它的影響?

有三個因素和這一影響有關:阻抗變化的大小、信號上升時間、窄線條上信號的時延。

首先討論阻抗變化的大小。很多電路的設計要求反射噪聲小于電壓擺幅的5%(這和信號上的噪聲預算有關),根據反射系數公式:

ρ=(Z2-Z1)/(Z2+Z1) =△Z /(△Z+2Z1)≤5%

可以計算出阻抗大致的變化率要求為:△Z/Z1≤10%

你可能知道,電路板上阻抗的典型指標為+/-10%,根本原因就在這。

如果阻抗變化只發生一次,例如線寬從8mil變到6mil后,一直保持6mil寬度這種情況,要達到突變處信號反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預算要求,阻抗變化必須小于10%.這有時很難做到,以FR4板材上微帶線的情況為例,我們計算一下。如果線寬8mil,線條和參考平面之間的厚度為4mil,特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆,阻抗變化率達到了20%.反射信號的幅度必然超標。至于對信號造成多大影響,還和信號上升時間和驅動端到反射點處信號的時延有關。但至少這是一個潛在的問題點。幸運的是這時可以通過阻抗匹配端接解決問題。

如果阻抗變化發生兩次,例如線寬從8mil變到6mil后,拉出2cm后又變回8mil.那么在2cm長6mil寬線條的兩個端點處都會發生反射,一次是阻抗變大,發生正反射,接著阻抗變小,發生負反射。如果兩次反射間隔時間足夠短,兩次反射就有可能相互抵消,從而減小影響。假設傳輸信號為1V,第一次正反射有0.2V被反射,1.2V繼續向前傳輸,第二次反射有-0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設6mil線長度極短,兩次反射幾乎同時發生,那么總的反射電壓只有0.04V,小于5%這一噪聲預算要求。因此,這種反射是否影響信號,有多大影響,和阻抗變化處的時延以及信號上升時間有關。研究及實驗表明,只要阻抗變化處的時延小于信號上升時間的20%,反射信號就不會造成問題。如果信號上升時間為1ns,那么阻抗變化處的時延小于0.2ns對應1.2英寸,反射就不會產生問題。也就是說,對于本例情況,6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會有問題。

當PCB走線線寬發生變化時,要根據實際情況仔細分析,是否造成影響。需要關注的參數由三個:阻抗變化有多大、信號上升時間是多少、線寬變化的頸狀部分有多長。根據上面的方法大致估算一下,適當留出一定的余量。如果可能的話,盡量讓減小頸狀部分長度。

需要指出的是,實際的PCB加工中,參數不可能像理論中那樣精確,理論能對我們的設計提供指導,但不能照搬照抄,不能教條,畢竟這是一門實踐的科學。估算出的值要根據實際情況做適當的修訂,再應用到設計中。


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