射频、高速数字电路:禁止锐角、尽量避免直角

如果是射频线,在转角的地方如果是直角,则有不连续性,而不连续性将易导致高次模的产生,对辐射和传导性能都有影响。RF信号线如果走直角,拐角处的有效线宽会增大,阻抗不连续,引起信号反射。为了减小不连续性,要对拐角进行处理,有两种方法:切角和圆角。圆弧角的半径应足够大,一般来说,要保证:R>3W。

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锐角、直角走线

锐角走线一般布线时我们禁止出现,直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况,也几乎成为衡量布线好坏的标准之一,那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响呢?

从原理上说,锐角、直角走线会使传输线的线宽发生变化,造成阻抗的不连续。

线宽变化导致阻抗变化

当走线的等效宽度变化的时候,会造成信号的反射。我们可以看到:

我们走线的时候,如果线宽发生变化,则会导致走线阻抗变化。

微带线(microstrip line)

•它由一根带状导线与地平面构成,中间是电介质。如果电介质的介电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的,其精确度将在±5%之内。

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带状线(stripline)

带状线就是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带。如果线的厚度和宽度,介质的介电常数,以及两层接地平面的距离都是可控的,则线的特性阻抗也是可控的,且精度在10%之内。

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阻抗不连续就会反射

锐角最差,直角次之,钝角再次之,圆角再次之,直线最好。

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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。

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反射系数

ƒ其中-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

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初始电压,是源电压Vs(2V)经过Zs(25欧姆)和传输线阻抗(50欧姆)分压。

Vinitial=1.33V

后续的反射率按照反射系数公式进行计算

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源端的反射率,是根据源端阻抗(25欧姆)和传输线阻抗(50欧姆)根据反射系数公式计算为-0.33;

终端的反射率,是根据终端阻抗(无穷大)和传输线阻抗(50欧姆)根据反射系数公式计算为1;

我们按照每次反射的幅度和延时,在最初的脉冲波形上进行叠加就得到了这个波形,这也就是为什么,阻抗不匹配造成信号完整性不好的原因。

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由于连接的存在、器件管脚、走线宽度变化、走线拐弯、过孔会使得阻抗不得不变化。所以反射也就不可避免。

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除了反射还有什么原因么?

直角走线的对信号的影响就是主要体现在三个方面

一是拐角可以等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间;

二是阻抗不连续会造成信号的反射;

三是直角尖端产生的EMI。

四还有一种说法:锐角会在生产过程中,造成生产有腐蚀物残留,不易加工,应该对于目前的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可以由下面这个经验公式来计算:

C=61W(Er)1/2/Z0

在上式中,C就是指拐角的等效电容(单位:pF),W指走线的宽度(单位:inch),εr指介质的介电常数,Z0就是传输线的特征阻抗。

举个例子,对于一个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概为0.0101pF,进而可以估算由此引起的上升时间变化量:

T10-90%=2.2CZ0/2 = 2.20.010150/2 = 0.556ps

通过计算可以看出,直角走线带来的电容效应是极其微小的。

由于直角走线的线宽增加,该处的阻抗将减小,于是会产生一定的信号反射现象,我们可以根据传输线章节中提到的阻抗计算公式来算出线宽增加后的等效阻抗,然后根据经验公式计算反射系数:ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0),一般直角走线导致的阻抗变化在7%-20%之间,因而反射系数最大为0.1左右。而且,从下图可以看到,在W/2线长的时间内传输线阻抗变化到最小,再经过W/2时间又恢复到正常的阻抗,整个发生阻抗变化的时间极短,往往在10ps之内,这样快而且微小的变化对一般的信号传输来说几乎是可以忽略的。

很多人对直角走线都有这样的理解,认为尖端容易发射或接收电磁波,产生EMI,这也成为许多人认为不能直角走线的理由之一。然而很多实际测试的结果显示,直角走线并不会比直线产生很明显的EMI。也许目前的仪器性能,测试水平制约了测试的精确性,但至少说明了一个问题,直角走线的辐射已经小于仪器本身的测量误差。

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总的说来,直角走线并不是想象中的那么可怕。至少在非射频及高速电路的应用中,其产生的任何诸如电容,反射,EMI等效应在TDR测试中几乎体现不出来,高速PCB设计工程师的重点还是应该放在布局,电源/地设计,走线设计,过孔等其他方面。当然,尽管直角走线带来的影响不是很严重,但并不是说我们以后都可以走直角线,注意细节是每个优秀工程师必备的基本素质,而且,随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设计领域,这些小小的直角都可能成为高速问题的重点对象。

(来源:网易博客、硬件十万个为什么)

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