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微带线和带状线设计
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2017-11-08
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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。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。
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。
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。
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。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。
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。
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。
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