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電子發燒友網>電子資料下載>可編程邏輯>EDA-教程>PCB設計規則>PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

PCB板的特性阻抗與特性阻抗控制

2017-12-02 | rar | 0.6 MB | 次下載 | 免費

資料介紹

? 1、電阻
  交流電流流過一個導體時,所受到的阻力稱為阻抗 (Impedance),符合為Z,單位還是Ω。
  此時的阻力同直流電流所遇到的阻力有差別,除了電阻 的阻力以外,還有感抗(XL)和容抗(XC)的阻力問題。
  為區別直流電的電阻,將交流電所遇到之阻力稱為阻抗 (Z)。
  Z=√ R2 +(XL -XC)2
  2、阻抗(Z)
  近年來,IC集成度的提高和應用,其信號傳輸頻率和速 度越來越高,因而在印制板導線中,信號傳輸(發射)高到 某一定值后,便會受到印制板導線本身的影響,從而導致傳 輸信號的嚴重失真或完全喪失。這表明,PCB導線所“流通”的“東西”并不是電流,而是 方波訊號或脈沖在能量上的傳輸。
  3、特性阻抗控制(Z0 )
  上述此種“訊號”傳輸時所受到的阻力,另稱為“特性阻 抗”,代表符號為Z0。
  所以,PCB導線上單解決“通”、“斷”和“短路”的問題還 不夠,還要控制導線的特性阻抗問題。就是說,高速傳輸、高頻訊號傳輸的傳輸線,在質量上 要比傳輸導線嚴格得多。不再是“開路/短路”測試過關,或者 缺口、毛刺未超過線寬的20%,就能接收。必須要求測定特性阻抗值,這個阻抗也要控制在公差以 內,否則,只有報廢,不得返工。
  二、訊號傳播與傳輸線
  1、信號傳輸線定義
  (1)根據電磁波的原理,波長(λ)越短,頻率(f)越 高。兩者的乘積為光速。即C = λ.f =3×1010 cm/s
  (2)任何元器件,盡管具有很高的信號傳輸頻率,但經 過PCB導線傳輸后,原來很高的傳輸頻率將降下來,或時間 延遲了。
  因此,導線長度越短越好。
  (3)提高PCB布線密度或縮短導線尺寸是有利的。但是,隨著元件頻率的加快,或脈沖周期的縮短,導線 長度接近信號波長(速度)的某一范圍,此時元件在PCB導 線傳輸時,便會出現明顯的“失真”。
  (4)IPC-2141的3.4.4提出:當信號在導線中傳輸時,如果導線長度接近信號波長 的1/7時,此時的導線被視為信號傳輸線。
  (5)舉例:
  某元件信號傳輸頻率(f)為10MHZ ,PCB上導線長度為50cm,是否應考慮特 性阻抗控制?
  解: C = λ.f =3×1010 cm/s
  λ=C/f=(3 ×1010 cm/s)/(1 ×107 /s )=3000cm
  導線長度/信號波長=50/3000=1/60
  因為:1/60《1/7,所以此導線為普通導線,不必考慮特性阻抗問題。
  在電磁波理論中,馬克斯威爾公式告訴我們:正弦波信 號在介質中的傳播速度VS 與光速C成正比,而與傳輸介質的 介電常數成反比。
  VS =C/√εr
  當εr =1時,信號傳輸達到了光的傳播速度,即3 ×1010 cm/s 。
  2、傳輸速率與介電常數
  不同板材在30MHZ 下的信號傳輸速度
  介質材料 Tg( °C ) 介電常數 信號傳輸速度(m/μs)
  真空 / 1.0 300.00
  聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
  熱固性聚丙醚 210 2.5 189.74
  氰酸酯樹脂 225 3.0 173.21
  聚四氟乙烯樹脂+E玻璃布 / 2.6 186.25
  氰酸酯樹脂+玻璃布 225 3.7 155.96
  聚酰亞胺+玻璃布 230 4.5 141.42
  石英 / 3.9 151.98
  環氧樹脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
  鋁 / 9.0 100.00
  由上表可見,隨著介電常數( εr )的增加,信號在介 質材料中的傳輸速度減小。要獲得高的信號傳輸速度,需采用高的特性阻抗值;高的特性阻抗,必須選用低的介電常數(εr )材料;聚四氟乙烯(Teflon)的介電常數(εr )最小,傳輸速 度最快。
  FR-4板材,是由環氧樹脂和E級玻璃布聯合組成,介電 常數(εr )為4.7。信號傳輸速度為138m/μs。改變樹脂體系,可較易改變介電常數(εr )。
  三、特性阻抗值控制緣由
  1、緣由一
  電子設備(電腦通信機)操作時,驅動元件(Driver) 所發出的信號,將通過PCB傳輸線到達接收元件 (Receiver)。信號在印制板的信號線中傳輸時,其特性阻抗值Z0 必須 與頭尾元件的“電子阻抗”能夠匹配,信號中的“能量”才會得 到完整的傳輸。
  2、緣由二
  一旦出現印制板質量不良,Z0 超出公差時,所傳的信號 會出現反射(Reflection)、散失(Dissipation)、衰減 (Attenuation)或延誤(Delay)等問題,嚴重時會傳錯信 號,死機。
  3、緣由三
  嚴格選擇板材和控制生產流程,多層板上的Z0 才能符合 客戶所要求的規格。元件的電子阻抗越高時,其傳輸速度才會越快,因而 PCB的Z0 也要隨之提高,方能達到匹配元件的要求。Z0 合格的多層板,才算得上是高速或高頻訊號所要求的 合格品。
  四、特性阻抗ZO 與板材及制程關系
  微帶線結構的特性阻抗Z0計算公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)
  其中:εr -介電常數 H-介質厚度 W-導線寬度 T-導線厚度
  板材的 εr 越低,越容易提高PCB線路的Z0 值,而與高速 元件的輸出阻抗值匹配。
  1、 特性阻抗Z0與板材的εr成反比
  Z0 隨著介質厚度的增加而增大。因此,對Z0 嚴格的高頻 線路來說,對覆銅板基材的介質厚度的誤差,提出了嚴格的 要求。通常,介質厚度變化不得超過10%。
  2、 介質厚度對特性阻抗Z0的影響
  隨著走線密度的增加,介質厚度的增加會引起電磁干擾 的增加。因此,高頻線路和高速數字線路的信號傳輸線,隨 著導體布線密度的增加,應減小介質厚度,以消除或降低電 磁干擾所帶來的雜信或串擾問題、或大力降低εr ,選用低εr 基材。
  根據微帶線結構的特性阻抗Z0 計算公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)
  銅箔厚度(T)是影響Z0的一個重要因素,導線厚度越 大,其Z0越小。但其變化范圍相對較小。
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