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PCB板的特性阻抗与特性阻抗控制

2010-12-17 15:07
九一隐士
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  1、电阻

  交流电流流过一个导体时,所受到的阻力称为阻抗 (Impedance),符合为Z,单位还是Ω。

  此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别,除了电阻 的阻力以外,还有感抗(XL)和容抗(XC)的阻力问题。

  为区别直流电的电阻,将交流电所遇到之阻力称为阻抗 (Z)。

  Z=√ R2 +(XL -XC)2

  2、阻抗(Z)

  近年来,IC集成度的提高和应用,其信号传输频率和速 度越来越高,因而在印制板导线中,信号传输(发射)高到 某一定值后,便会受到印制板导线本身的影响,从而导致传 输信号的严重失真或完全丧失。这表明,PCB导线所“流通”的“东西”并不是电流,而是 方波讯号或脉冲在能量上的传输。

  3、特性阻抗控制(Z0 )

  上述此种“讯号”传输时所受到的阻力,另称为“特性阻 抗”,代表符号为Z0。

  所以,PCB导线上单解决“通”、“断”和“短路”的问题还 不够,还要控制导线的特性阻抗问题。就是说,高速传输、高频讯号传输的传输线,在质量上 要比传输导线严格得多。不再是“开路/短路”测试过关,或者 缺口、毛刺未超过线宽的20%,就能接收。必须要求测定特性阻抗值,这个阻抗也要控制在公差以 内,否则,只有报废,不得返工。

  二、讯号传播与传输线

  1、信号传输线定义

  (1)根据电磁波的原理,波长(λ)越短,频率(f)越 高。两者的乘积为光速。即C = λ.f =3×1010 cm/s

  (2)任何元器件,尽管具有很高的信号传输频率,但经 过PCB导线传输后,原来很高的传输频率将降下来,或时间 延迟了。

  因此,导线长度越短越好。

  (3)提高PCB布线密度或缩短导线尺寸是有利的。但是,随着元件频率的加快,或脉冲周期的缩短,导线 长度接近信号波长(速度)的某一范围,此时元件在PCB导 线传输时,便会出现明显的“失真”。

  (4)IPC-2141的3.4.4提出:当信号在导线中传输时,如果导线长度接近信号波长 的1/7时,此时的导线被视为信号传输线。

  (5)举例:

  某元件信号传输频率(f)为10MHZ ,PCB上导线长度为50cm,是否应考虑特 性阻抗控制?

  解: C = λ.f =3×1010 cm/s

  λ=C/f=(3 ×1010 cm/s)/(1 ×107 /s )=3000cm

  导线长度/信号波长=50/3000=1/60

  因为:1/60《1/7,所以此导线为普通导线,不必考虑特性阻抗问题。

  在电磁波理论中,马克斯威尔公式告诉我们:正弦波信 号在介质中的传播速度VS 与光速C成正比,而与传输介质的 介电常数成反比。

  VS =C/√εr

  当εr =1时,信号传输达到了光的传播速度,即3 ×1010 cm/s 。

  2、传输速率与介电常数

  不同板材在30MHZ 下的信号传输速度

  介质材料 Tg( °C ) 介电常数 信号传输速度(m/µs)

  真空 / 1.0 300.00

  聚四氟乙烯 / 2.2 202.26

  热固性聚丙醚 210 2.5 189.74

  氰酸酯树脂 225 3.0 173.21

  聚四氟乙烯树脂+E玻璃布 / 2.6 186.25

  氰酸酯树脂+玻璃布 225 3.7 155.96

  聚酰亚胺+玻璃布 230 4.5 141.42

  石英 / 3.9 151.98

  环氧树脂玻璃布 130±5 4.7 138.38

  铝 / 9.0 100.00

  由上表可见,随着介电常数( εr )的增加,信号在介 质材料中的传输速度减小。要获得高的信号传输速度,需采用高的特性阻抗值;高的特性阻抗,必须选用低的介电常数(εr )材料;聚四氟乙烯(Teflon)的介电常数(εr )最小,传输速 度最快。

  FR-4板材,是由环氧树脂和E级玻璃布联合组成,介电 常数(εr )为4.7。信号传输速度为138m/μs。改变树脂体系,可较易改变介电常数(εr )。

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