发布日期:2017-11-15 22:45:33
根据传输线理论和信号的传输理论,信号不仅仅是时间变量的函数,同时还是距离变量的函数,所以信号在连线上的每一点都有可能变化。
因此定义连线的交流阻抗,即变化的电压和变化的电流之比为传输线的特性阻抗。(Characteristicimpedance)
一、 特性阻抗的定义
1、实例片段(软管送水浇花)
2.一端手握处加压使其射出水柱,另一端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰好,而让水柱的射程正确洒落在目标区时,则施与受两者皆欢。
3.然而一旦用力过度水注射程太远,不但腾空越过目标浪费水资源,甚至还可能因强力水压无处宣泄,以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱。
4.反之,当握处之挤压不足以致射程太近者,则照样得不到想要的结果。过犹不及皆非所欲,唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。
5、 特性阻抗:当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(High Level)的正压讯号向前推进时,则距其最近的参考层(如接地层)中,
理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行(等于正压讯号反向的回归路径 Return Path),如此将可完成整体性的回路(Loop)系统。该
“讯号”前行中若将其飞行时间暂短加以冻结,即可想象其所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值(Instantanious Impedance),
此即所谓的“特性阻抗”。
当电路板中的金属导线采用交流电进行信号传输时,所遇到的阻力称为阻抗。
二、特性阻抗的计算方法
1 .是故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽(w)、线厚(t)、介质厚度(h)与介质常数(Dk)都扯上了关系。此种传输线之一的微带线其图示与计算公式如下:
Z0:印刷导线的特性阻抗
εr:绝缘材料的介电常数h:印刷导线与基准面之间的介质厚度w:印刷导线的宽度t:印刷导线的厚度
2.用电子软件计算阻抗值(英国 Porar 公司软件)
三、影响阻抗值的因素
1. 铜箔厚度对 Z0 的影响
从公式可看出铜箔厚度也是影响 Z0 的一个重要因素,铜箔厚度越大,其特性阻抗就越小,但其变化范围相对是较小的。如图 2 所示。
2. 导线宽度对 Z0 的影响:由于合适选定基板材料和完成 PCB 设计之后,介质常数、介质宽度和导线宽度等三个参数基本上相对固定下来了
3. 高频信号和高速数字(逻辑)信号从驱动组件传送出来并经过 PCB 信号传输线送到接受组件处,这就是一种信号传输过程。在这个信号传输过
程中,如果 PCB 的信号传输过程中,PCB 的信号传输线之特性阻抗值 Z 与这两个组件的“电子阻抗”完全相匹配(实际上接受组件的阻抗要大于
驱动组件的阻抗才合理)时,则所传送的信号之能量便得到了完整的传输,这种情况是理想状态。如果 PCB 的传输线Z0 不匹配而产生变化偏差或
变化偏差过大,则将会在传输信号的过程中发生反射、散失、衰减或时间延迟等问题。严重时,甚至会引起完全“失真”而接受不到原来的真实信号。
因此,高频信号和高速数字信号要在 PCB 传输线中得到完整的传输,就必须做到在 PCB 传输线上的任何一点处的特性阻抗值 Z0 应是均等才
行,这就意味着在 PCB传输线的任何一处的横截面积(包括无缺陷而理想的)都必须是相同的。但是,在 PCB 传输线的实际生产加工中是不可能完全
做到的。所以,PCB 中传输线的控制,在基板材料确定之后,在双面板中,实质上是传输线的横截面积尺寸一致性的控制问题;在多层板中实质上是
传输线横截面积尺寸一致性和介质厚度均匀性的控制,但主要还是传输线截面积尺寸一致性和完整性问题。由于 PCB 传输线的加工过程所涉及的加工
工序和工艺参数(特别是动态工艺参数)太多,即使采用全自动化生产加工也是难于做到的。
因此人们只能把生产加工的 PCB 传输线整个横截面积尺寸控制在规定的范围之内,所以 PCB 传输线的 Z0 也只能根据应用对象而控制在设计规定
数值之内。
传统上,PCB 导线宽度偏差允许为±20%,这对于非传输线的常规电子产品用的 PCB 导线(导线长度小于信号波长的七分之一)来说,已经能满足要
求了。但是对于有 Z0控制要求的信号传输线来说,PCB 导线宽度偏差±20%已不能满足要求,因此,此时的误差一般已超过±10%,而且 Z0 误差还会随
着介质厚度减薄而偏大。
从上述理论计算中可以得出这样的认识和结论,传统的线宽误差精度控制规定已不适用于传输线之要求了,必须根据传输线传输信号的特性来确定传
输线宽度的误差精度。如传输高频信号的传输线,其精度控制要严得多,才能达到较小的 Z0 偏差值。这些要求可以根据公式(1)和已知的介质厚度、导
线厚度和 Z0 偏差值而计算出导线的精度(误差)控制大小。
4.当上述微带线中 Z0 的四种变数(w、t、h、 r)有任一项发生异常,例如图中的讯号线出现缺口时,将使得原来的 Z0 突然上升(见上述公式中之
Z0与 W 成反比的事实),而无法继续维持应有的稳定均匀(Continuous)时,则其讯号的能量必然会发生部分前进,而部分却反弹反射的缺失。
5.基板材料及 PCB 生产对特性阻抗的影响关系
介质常数对 Z 的影响(反比关系) 介质厚度对 Z 的影响(正比关系)
铜箔厚度对 Z 的影响(反比关系) 导线宽度对 Z 的影响(反比关系)
四、阻抗测试线的设计方法
1. 阻抗测试线设计示意图
示意图说明:
1.阻抗线的位置
一般加在生产板 PNL 边上或在客户允许的前提下加在 SET 边上
2.抗线的规格说明
T1、T2/B1、B2 为四个 PTH 孔,一般为喷锡成形孔,成品孔径为 1.00mm 左右,RING(成品焊环)要求为 0.16-0.20mm;T1/B1 分别相连的测试线长
一般为 100mm,线宽与板内生产板内阻抗线宽度一致,且线面盖阻焊油墨;T1-T2/T2-B2/B2-B1/B1-T1 的两个相邻孔中心距一般为 2.54mm;其中,T1 仅
与 TOP 层阻抗测试线相连,T2 仅与 TOP 面第 2 层内层相连;B1 仅与 BOT 层阻抗测试线相连,B2 仅与 BOT 层第 2 层相连。
五、特性阻抗的测试
1. 采用 TDR 的量测
其一般性的量测方法,就是使用“时域反射仪”(Time Domain Reflectometry;TDR )。此 TDR 可产生一种梯阶波(Step Pulse 或 Step Wave),
并使之送入待测的传输线中而成为入射波(Incident Wave)。于是当其讯号线在线宽上发生宽窄的变化时,则荧光幕上也会出现 Z0 奥姆值的上下起
伏振荡。
2. TDR 由来已久
利用时域反射仪量测传输线的特性阻抗(Z0)值,此举并非新兴事物。早年即曾用以监视海底电缆(Submarine Cable)的安全,随时注意其是否发
生传输质量上的“不连续(Disconnection)的问题。目前才逐渐使用于高速计算机领域与高频通讯范畴中。
TDR 用于海底电缆监视图
3. CPU 载板的 TDR 测试
Hioki 公司 2001 年六月才在 JPCA 推出的“1109 Hi Tester”,为了对 1.7GHz 高速传输 FC/PGA 载板在 Z0 方面的正确量测起见,已不再使用飞
针式(Flying probe)快速移动的触测,也放弃了 SMA 探棒式的 TDR 手动触测(Press-type)的做法。而改采固定式高频短距连缆,与固定式高频测针
的精准定位,而在自动移距及接触列待测之落点处,进行全无人为因素干扰的高精密度自动测试。
在 CCD 摄影镜头监视平台的 XY 位移,及 Laser 高低感知器督察 Z 方向的落差落点,此等双重精确定位与找点,再加上可旋转式接触式测针之
协同合作下,得以避免再使用传统缆线、连接器、与开关等中介的麻烦,大幅减少 TDR 量测的误差。如此已使得“1109 HiTESTER”在封装载板上对
Z0 的量测,远比其它方法更为精确。
1.阻抗与电阻的区别
深圳顺易捷科技有限公司技术部
2017年11月15日