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不规则电路设计对辐射与阻抗的影响 3 f% y' ?$ L I( e& A! J
+ i1 R' A7 j+ Y5 m前言 最近几年电路板非常流行所谓的「meander」导线,然而这种不规则(zigzag)导线随着clock频率不断提高,设计人员也意识到必需使导线pattern尽可能完全相同。理论上从driver端至接收收端(receiver)直线距离有可能完全相同 ,不过事实上当两者之间的距离越来越长时,导线pattern势必成为不规则形状,有鉴于此本文将透过实验结果,深入探讨直线状与不规则状的pattern差异对电路的影响。 实验步骤 图1是实验用印刷电路板的外观,阻抗(impedance) Zo为50Ω,共有A~G 7种线路图案(pattern)( 图2),pattern长度都是290mm,由于不规则layout因此pattern长度被压缩成150mm,如图3所示电路图案都无直角弯曲设计。四层电路板为四层板总厚度1.6mm,第一层装设电子组件,第二至第四层分别是接地层(earth)、Vcc层与电路图(图4),辐射资料是根据3米(meter)法则水平放置电路板量测水平偏波。 + s' H2 |. M7 \. ?
图1 电路板的外观![]()
0 {, c: P9 Q6 f- J* |: |图2 7种线路pattern对特性阻抗的影响 $ h$ d% U2 ?" G/ x/ R
图3 线路图案弯曲与特性阻抗 Zo 的变化![]()
- K P; w8 {( a+ B; V/ v4 v图4 实验用电路图5是上述实验所获得的辐射资料。如图所示7种线路图案都有长70mm的直线部分,E与G的线路图案的频率为650~850MHz,直线部分长度为130 mm的;D与F的线路图案有频率为350~450MHz,具有较多的辐射。+ e" [2 b8 S( Q/ f3 x$ E
若将电路板的诱电率ε列入考虑,并且假设电路板上的光速为 时:
3 g- |0 X* N0 W% E4 I2 j- }650 MHz的波长λ=277mm,λ/4=70mm' s( j( I Q, _
650 MHz的波长λ=514mm,λ/4=130mm
/ D2 T6 c# y7 K" U# |依此就可推论「线路图案直线部分」与「造成辐射最大值的波长」两者的关连性,也就是说线路图案直线部分长度较短的A、B、C三线路图案的辐射较低,相形之下D、E、F的辐射比较大;凹凸集中的D、E、F的辐射比凹凸分散的A、B、C大,G则无法纳入检讨范围。
6 g3 _4 G+ F3 e; L# q* d$ X' W ![]()
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/ O" q6 t, B% ]) J图5 7种线路图案产生的辐射 上述实验用印刷电路板的阻抗Zo 是利用图6的理论计算公式所获得的计算结果,为了量测类似MHz等级电路板实际动作时阻抗值,因此利用图7所示TDR(Time Domain Refrectometer)量测器检测电路板的阻抗。TDR的动作原理是捕捉电波或是超音波撞击物体后反弹的信号(echo)再将时差强弱图像画,依此量测结果如图8所示。由图可归纳下列三项结论:8 J& j% K+ n% m
(1).编号G的线路图案除外,其它线路图案的阻值Zo 并无明显差异。* d5 n g% a- l- U
(2).编号C、D的线路图案,输入端子正后方如果有凹凸时,其附近的阻值Zo 很高。
" f- W1 x/ H# B1 c4 u3 o2 \(3).编号G的线路图案特性极差。5 j- L! z. z/ |1 u) X# h
必需注意的是包含编号G的线路图案再内,线路图案的「物理长度」物理长度皆为290mm . b; J7 `/ `9 N; h" z
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0 g) d, x- P; r! ~: q) v& B图6 板上的线路图案种类电路
* J$ f m, ]/ u4 | 图7 电路板的线路图案特性阻抗量测系统 6 G j8 w) h9 w3 b3 f4 q2 a
图8 7种线路图案利用TDR量测的特性阻抗值 相较之下「电气长度」亦即330-152=178mm几乎成一定值。由以上结论出现下列两个疑问:8 v% o3 s! p* Q3 I v0 o
(1).一般都认为「电气长度」与「物理长度」,可是线路图案弯曲次数亦即凹凸次数与长度的关系为何?' Y- J y- }- M
(2).半导体厂商对阻值Zo 的误差量一般都设为±10%,上述实验证明事实上误差量可低于±5%,不过半导体厂商将来要如何定义输入阻值?
% U6 y Y7 D; e$ i( h有关第(1)项的质疑例如图8所示线路不规则为 ,图案全长为L时:, v2 F& U$ J0 I( G7 t* v; y
L= 3 g+ k/ u: y7 ^* H: |
的关系会成立,式中的 亦即信号行进横向合计尺寸与线路不规则n无关,也就是说必需抑制L的 ,如此一来为了增加 必需减少 ,因此图9的线路不规则次数越多,图案的 必需设法使它变得更小,然而图8的不规则线路却未发生L阻抗成份,且图的信号未依照 路径行进,却由 路径行进,主要原因由如图10的说明便可获得合理的解释。 8 t% I1 f+ W. I4 v# Z6 Q& h+ V# x
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