射频、高速数字电路:制止锐角、尽量防止直角
假如是射频线,在转角的当地假如是直角,则有不接连性,而不接连性将易导致高次模的发生,对辐射和传导功能都有影响。RF信号线假如走直角,角落处的有用线宽会增大,阻抗不接连,引起信号反射。为了减小不接连性,要对角落进行处理,有两种办法:切角和圆角。圆弧角的半径应足够大,一般来说,要确保:R>3W。
锐角、直角走线
锐角走线一般布线时咱们制止呈现,直角走线一般是PCB布线中要求尽量防止的状况,也简直成为衡量布线好坏的规范之一,那么直角走线终究会对信号传输发生多大的影响呢?
从原理上说,锐角、直角走线会使传输线的线宽发生改变,形成阻抗的不接连。
线宽改变导致阻抗改变
当走线的等效宽度改变的时分,会形成信号的反射。咱们能够看到:
咱们走线的时分,假如线宽发生改变,则会导致走线阻抗改变。
微带线(microstrip line)
•它由一根带状导线与地平面构成,中心是电介质。假如电介质的介电常数、线的宽度、及其与地平面的间隔是可控的,则它的特性阻抗也是可控的,其精确度将在±5%之内。
带状线(stripline)
带状线便是一条置于两层导电平面之间的电介质中心的铜带。假如线的厚度和宽度,介质的介电常数,以及两层接地平面的间隔都是可控的,则线的特性阻抗也是可控的,且精度在10%之内。
阻抗不接连就会反射
锐角最差,直角次之,钝角再次之,圆角再次之,直线最好。
当驱动器发射一个信号进入传输线时,信号的幅值取决于电压、缓冲器的内阻和传输线的阻抗。驱动器端看到的初始电压决定于内阻和线阻抗的分压。
反射系数
其间-1≤ρ≤1
当ρ=0时无反射发生
当ρ=1(Z 2 =∞,开路)时发生全正反射
当ρ=-1(Z 2 =0,短路)时发生全负反射
初始电压,是源电压Vs(2V)通过Zs(25欧姆)和传输线阻抗(50欧姆)分压。
Vinitial=1.33V
后续的反射率依照反射系数公式进行核算
源端的反射率,是依据源端阻抗(25欧姆)和传输线阻抗(50欧姆)依据反射系数公式核算为-0.33;
终端的反射率,是依据终端阻抗(无穷大)和传输线阻抗(50欧姆)依据反射系数公式核算为1;
咱们依照每次反射的起伏和延时,在开始的脉冲波形上进行叠加就得到了这个波形,这也便是为什么,阻抗不匹配形成信号完整性欠好的原因。
因为衔接的存在、器材管脚、走线宽度改变、走线拐弯、过孔会使得阻抗不得不改变。所以反射也就不可防止。
除了反射还有什么原因么?
直角走线的对信号的影响便是首要表现在三个方面
一是角落能够等效为传输线上的容性负载,减缓上升时刻;
二是阻抗不接连会形成信号的反射;
三是直角顶级发生的EMI。
四还有一种说法:锐角会在出产过程中,形成出产有腐蚀物残留,不易加工,应该关于现在的PCB加工工艺来说不是什么困难,不作为理由。
传输线的直角带来的寄生电容能够由下面这个经历公式来核算:
C=61W(Er)1/2/Z0
在上式中,C便是指角落的等效电容(单位:pF),W指走线的宽度(单位:inch),εr指介质的介电常数,Z0便是传输线的特征阻抗。
举个比如,关于一个4Mils的50欧姆传输线(εr为4.3)来说,一个直角带来的电容量大约为0.0101pF,从而能够预算由此引起的上升时刻改变量:
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
通过核算能够看出,直角走线带来的电容效应是极端细小的。
因为直角走线的线宽添加,该处的阻抗将减小,所以会发生必定的信号反射现象,咱们能够依据传输线章节中说到的阻抗核算公式来算出线宽添加后的等效阻抗,然后依据经历公式核算反射系数:ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0),一般直角走线导致的阻抗改变在7%-20%之间,因此反射系数最大为0.1左右。并且,从下图能够看到,在W/2线长的时刻内传输线阻抗改变到最小,再通过W/2时刻又康复到正常的阻抗,整个发生阻抗改变的时刻极短,往往在10ps之内,这样快并且细小的改变对一般的信号传输来说简直是能够疏忽的。
许多人对直角走线都有这样的了解,以为顶级简单发射或接纳电磁波,发生EMI,这也成为许多人以为不能直角走线的理由之一。但是许多实践测验的成果显现,直角走线并不会比直线发生很明显的EMI。或许现在的仪器功能,测验水平限制了测验的精确性,但至少说明晰一个问题,直角走线的辐射现已小于仪器自身的测量误差。
总的说来,直角走线并不是幻想中的那么可怕。至少在非射频及高速电路的使用中,其发生的任何比如电容,反射,EMI等效应在TDR测验中简直表现不出来,高速PCB规划工程师的要点仍是应该放在布局,电源/地规划,走线规划,过孔等其他方面。当然,虽然直角走线带来的影响不是很严重,但并不是说咱们今后都能够走直角线,留意细节是每个优异工程师必备的基本素质,并且,跟着数字电路的飞速发展,PCB工程师处理的信号频率也会不断提高,到10GHz以上的RF规划范畴,这些小小的直角都可能成为高速问题的要点对象。