信号传输线和其特性阻抗.docVIP

信号传输线及其特性阻抗 林金堵 随着电子产品小型化、数字化、高频化和多功能化等的快速发展与进步，作为电子产品中电气的互连件—PCB中的导线的作用，已不仅只是电流流通与否的问题，而且是作为“传输线”的作用。也就是说，对于高频信号或高速数字信号的传输用的PCB之电气测试，不仅要测试线路的“通”、“断”、“短路”等是否合乎要求，而且还要其“特性阻抗值”是否合乎要求，只有这两方面都“合格”了，PCB才符合允收性。 1 信号传输线的提出 1.1 信号传输线的定义 这是为了区别常规导线而提出的名称。按IPC-2141的3.4.4条的定义：“当信号在PCB导线中传输时，若导线的长度接近信号波长的1/7，此时的导线便成为信号传输线”了。有的文献认为，导线的长度接近波长的1/10时，应按信号传输线处理。显然，后者更严格（显得‘过分’），但大多数人认定为前者。 大家知道，电流通过导体时，会受到一个“阻力”，在直流电中是电阻，符合欧姆定律。即： R=V/I 在交流电中的“阻力”是由“电阻”、“感抗”和“容抗”的综合结果，即： Z=〔R2+（XL-XC）2〕1/2 信号传输线的判断 元件有很高频率信号传输，但经过导线传输后，频率下降（时间延迟）了，导线越长，时间延长越厉害，当导线的长度接近于波长时，或信号速度（频率）提高到某一范围时，传输的信号便会出现明显的“失真”。 ⑴高频信号的传输。 假设：（一）元件的信号传输频率f=10MHZ，导线L=50cm,则 C=f*λ λ= C/f λ/L= C/f*L=60 属于常规导线。 （二）元件的信号传输频率f=1GHZ，导线的长度L=10cm,则 λ/L= C/f*L=3 不属于常规导线，应进行特性阻抗值控制的传输线。 ⑵脉冲信号的传输。在数字电路中从“0”到“1”的上升时间tr是很短的.但可用下面公式来计算频率fmax： fmax=0.35/tr 假设：元件的上升时间tr是=2ns，则 fmax=0.35/tr=175 MHZ L= C/ fmax*7=24.5 cm 当导线长度≥24.5 cm时，应作为信号传输线处理。 目前：TTL（transister-transister logic）的tr为4ns→1ns→0.5ns→ ECL(emitter-coupled logic) 的tr为3ns→1ns→0.5ns→ ⑶信号传输线必须进行特性阻抗值控制。 如果不进行特性阻抗值控制时，在线路中产生的信号“反射”，会“抵消”正在传输信号。λ/L比率越小，“反射”越严重，则会产生如下问题： ①信号（或能量）传输效率明显下降； ②由于反复干扰（抵消）信号传输，将随着频率增加而严重化； ③部分“能量”是会以电磁波辐射出去，在内部导线或网络之间形成EMI。 信号普通线与信号传输线的差别 信号普通线与信号传输线的差别主要有三个方面： ⑴信号普通线是指第一信号传输被接受完成后，才发送第二个信号，因此第一个信号传输过程中的“反射”信号，不会抵消第二个信号。而信号传输线的特征是第一个信号传输还没有被接受，就发送第二个信号，因此第一信号传输过程中产生的“反射”信号就可抵消第二个信号而削弱了第二个信号，频率越快的传输信号，则“失真”就越多，甚至信号消失。 ⑵信号普通线，由于信号传输速度慢，“反射”信号不会抵消后面传输的信号。因此，导线的粗细、缺陷（缺口、针孔）等是允许某些程度存在着。而在信号传输线中，这些粗细、缺陷等要进行十分严格的要求。 ⑶信号普通线，不要求特性阻抗值控制，只要求“通”、“断”、“短路”的电气测试。而信号传输线要求特性阻抗值控制，即除了要求“通”、“断”、“短路”的电气测试外，还必须有特性阻抗值控制的测试。 PCB中特性阻抗值Z0的设计 2.1 Z0的的结构类型与计算方法 主要有两种：微带线和带状线及其派生的各种各样的结构，如何选用，应视元件和电子产品而定。 微带线(适合Z0较大的场合)。 Z0 ={87/（εr+1.41）） 介质材料 玻璃化温度Tg（℃） 介电常数εr（300MHZ） 信号传输速度（m/μs） 真空 / 1.0 300.00 PTFE/E-玻纤布 89 2.6 186.25 FR-4 125-135 4.7 138.