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PCB板的特性阻抗与特性阻抗控制

消耗积分:0 | 格式:rar | 大小:0.6 MB | 2017-12-02

lantian12

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  1、电阻
  交流电流流过一个导体时,所受到的阻力称为阻抗 (Impedance),符合为Z,单位还是Ω。
  此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别,除了电阻 的阻力以外,还有感抗(XL)和容抗(XC)的阻力问题。
  为区别直流电的电阻,将交流电所遇到之阻力称为阻抗 (Z)。
  Z=√ R2 +(XL -XC)2
  2、阻抗(Z)
  近年来,IC集成度的提高和应用,其信号传输频率和速 度越来越高,因而在印制板导线中,信号传输(发射)高到 某一定值后,便会受到印制板导线本身的影响,从而导致传 输信号的严重失真或完全丧失。这表明,PCB导线所“流通”的“东西”并不是电流,而是 方波讯号或脉冲在能量上的传输。
  3、特性阻抗控制(Z0 )
  上述此种“讯号”传输时所受到的阻力,另称为“特性阻 抗”,代表符号为Z0。
  所以,PCB导线上单解决“通”、“断”和“短路”的问题还 不够,还要控制导线的特性阻抗问题。就是说,高速传输、高频讯号传输的传输线,在质量上 要比传输导线严格得多。不再是“开路/短路”测试过关,或者 缺口、毛刺未超过线宽的20%,就能接收。必须要求测定特性阻抗值,这个阻抗也要控制在公差以 内,否则,只有报废,不得返工。
  二、讯号传播与传输线
  1、信号传输线定义
  (1)根据电磁波的原理,波长(λ)越短,频率(f)越 高。两者的乘积为光速。即C = λ.f =3×1010 cm/s
  (2)任何元器件,尽管具有很高的信号传输频率,但经 过PCB导线传输后,原来很高的传输频率将降下来,或时间 延迟了。
  因此,导线长度越短越好。
  (3)提高PCB布线密度或缩短导线尺寸是有利的。但是,随着元件频率的加快,或脉冲周期的缩短,导线 长度接近信号波长(速度)的某一范围,此时元件在PCB导 线传输时,便会出现明显的“失真”。
  (4)IPC-2141的3.4.4提出:当信号在导线中传输时,如果导线长度接近信号波长 的1/7时,此时的导线被视为信号传输线。
  (5)举例:
  某元件信号传输频率(f)为10MHZ ,PCB上导线长度为50cm,是否应考虑特 性阻抗控制?
  解: C = λ.f =3×1010 cm/s
  λ=C/f=(3 ×1010 cm/s)/(1 ×107 /s )=3000cm
  导线长度/信号波长=50/3000=1/60
  因为:1/60《1/7,所以此导线为普通导线,不必考虑特性阻抗问题。
  在电磁波理论中,马克斯威尔公式告诉我们:正弦波信 号在介质中的传播速度VS 与光速C成正比,而与传输介质的 介电常数成反比。
  VS =C/√εr
  当εr =1时,信号传输达到了光的传播速度,即3 ×1010 cm/s 。
  2、传输速率与介电常数
  不同板材在30MHZ 下的信号传输速度
  介质材料 Tg( °C ) 介电常数 信号传输速度(m/μs)
  真空 / 1.0 300.00
  聚四氟乙烯 / 2.2 202.26
  热固性聚丙醚 210 2.5 189.74
  氰酸酯树脂 225 3.0 173.21
  聚四氟乙烯树脂+E玻璃布 / 2.6 186.25
  氰酸酯树脂+玻璃布 225 3.7 155.96
  聚酰亚胺+玻璃布 230 4.5 141.42
  石英 / 3.9 151.98
  环氧树脂玻璃布 130±5 4.7 138.38
  铝 / 9.0 100.00
  由上表可见,随着介电常数( εr )的增加,信号在介 质材料中的传输速度减小。要获得高的信号传输速度,需采用高的特性阻抗值;高的特性阻抗,必须选用低的介电常数(εr )材料;聚四氟乙烯(Teflon)的介电常数(εr )最小,传输速 度最快。
  FR-4板材,是由环氧树脂和E级玻璃布联合组成,介电 常数(εr )为4.7。信号传输速度为138m/μs。改变树脂体系,可较易改变介电常数(εr )。
  三、特性阻抗值控制缘由
  1、缘由一
  电子设备(电脑、通信机)操作时,驱动元件(Driver) 所发出的信号,将通过PCB传输线到达接收元件 (Receiver)。信号在印制板的信号线中传输时,其特性阻抗值Z0 必须 与头尾元件的“电子阻抗”能够匹配,信号中的“能量”才会得 到完整的传输。
  2、缘由二
  一旦出现印制板质量不良,Z0 超出公差时,所传的信号 会出现反射(Reflection)、散失(Dissipation)、衰减 (Attenuation)或延误(Delay)等问题,严重时会传错信 号,死机。
  3、缘由三
  严格选择板材和控制生产流程,多层板上的Z0 才能符合 客户所要求的规格。元件的电子阻抗越高时,其传输速度才会越快,因而 PCB的Z0 也要随之提高,方能达到匹配元件的要求。Z0 合格的多层板,才算得上是高速或高频讯号所要求的 合格品。
  四、特性阻抗ZO 与板材及制程关系
  微带线结构的特性阻抗Z0计算公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)
  其中:εr -介电常数 H-介质厚度 W-导线宽度 T-导线厚度
  板材的 εr 越低,越容易提高PCB线路的Z0 值,而与高速 元件的输出阻抗值匹配。
  1、 特性阻抗Z0与板材的εr成反比
  Z0 随着介质厚度的增加而增大。因此,对Z0 严格的高频 线路来说,对覆铜板基材的介质厚度的误差,提出了严格的 要求。通常,介质厚度变化不得超过10%。
  2、 介质厚度对特性阻抗Z0的影响
  随着走线密度的增加,介质厚度的增加会引起电磁干扰 的增加。因此,高频线路和高速数字线路的信号传输线,随 着导体布线密度的增加,应减小介质厚度,以消除或降低电 磁干扰所带来的杂信或串扰问题、或大力降低εr ,选用低εr 基材。
  根据微带线结构的特性阻抗Z0 计算公式:Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / (0.8W+T)
  铜箔厚度(T)是影响Z0的一个重要因素,导线厚度越 大,其Z0越小。但其变化范围相对较小。

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