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為什么PCB布線中要盡量避免銳角和直角走線

出處:硬件十萬個為什么 發(fā)布于:2019-09-16 14:47:43

  如果是射頻線,在轉角的地方如果是直角,則有不連續(xù)性,而不連續(xù)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(xù),引起信號反射。為了減小不連續(xù)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(fā)生變化,造成阻抗的不連續(xù)。
  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(fā)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,其度將在±5%之內。

  為什么PCB布線中要盡量避免銳角和直角走線
  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,且在10%之內。

  為什么PCB布線中要盡量避免銳角和直角走線
  阻抗不連續(xù)就會反射
  銳角差,直角次之,鈍角再次之,圓角再次之,直線。

  為什么PCB布線中要盡量避免銳角和直角走線
  當驅動器發(fā)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。

 

  為什么PCB布線中要盡量避免銳角和直角走線
  反射系數
  ?其中-1≤ρ≤1
  當ρ=0時無反射發(fā)生
  當ρ=1(Z 2 =∞,開路)時發(fā)生全正反射
  當ρ=-1(Z 2 =0,短路)時發(fā)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(xù)的反射率按照反射系數公式進行計算

  為什么PCB布線中要盡量避免銳角和直角走線
  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(xù)會造成信號的反射;
  三是直角產生的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4Mils的50歐姆傳輸線(εr為4.3)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(jié)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,再經過W/2時間又恢復到正常的阻抗,整個發(fā)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,認為容易發(fā)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。
  為什么PCB布線中要盡量避免銳角和直角走線
  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(jié)是每個工程師必備的基本素質,而且,隨著數字電路的飛速發(fā)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。

關鍵詞:PCB布線

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