信号传输线和其特性阻抗

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1、信号传输线及其特性阻抗林金堵随着电子产品小型化、数字化、高频化和多功能化等的快速发展与进步，作为电子产品中电气的互连件—PCB中的导线的作用，已不仅只是电流流通与否的问题，而且是作为“传输线”的作用。也就是说，对于高频信号或高速数字信号的传输用的PCB之电气测试，不仅要测试线路的“通”、“断”、“短路”等是否合乎要求，而且还要其“特性阻抗值”是否合乎要求，只有这两方面都“合格”了，PCB才符合允收性。1信号传输线的提出1.1信号传输线的定义这是为了区别常规导线而提出的名称。按IPC-2141的3.4.4条的定义：“当信号在PC

2、B导线中传输时，若导线的长度接近信号波长的1/7，此时的导线便成为信号传输线”了。有的文献认为，导线的长度接近波长的1/10时，应按信号传输线处理。显然，后者更严格（显得‘过分’），但大多数人认定为前者。大家知道，电流通过导体时，会受到一个“阻力”，在直流电中是电阻，符合欧姆定律。即：R=V/I在交流电中的“阻力”是由“电阻”、“感抗”和“容抗”的综合结果，即：Z=〔R2+（XL-XC）2〕1/21.2信号传输线的判断元件有很高频率信号传输，但经过导线传输后，频率下降（时间延迟）了，导线越长，时间延长越厉害，当导线的长度接近于

3、波长时，或信号速度（频率）提高到某一范围时，传输的信号便会出现明显的“失真”。⑴高频信号的传输。假设：（一）元件的信号传输频率f=10MHZ，导线L=50cm,则C=f*λλ=C/fλ/L=C/f*L=60属于常规导线。（二）元件的信号传输频率f=1GHZ，导线的长度L=10cm,则λ/L=C/f*L=3不属于常规导线，应进行特性阻抗值控制的传输线。⑵脉冲信号的传输。在数字电路中从“0”到“1”的上升时间tr是很短的.但可用下面公式来计算频率fmax：fmax=0.35/tr假设：元件的上升时间tr是=2ns，则fmax=0.

4、35/tr=175MHZL=C/fmax*7=24.5cm当导线长度≥24.5cm时，应作为信号传输线处理。目前：TTL（transister-transisterlogic）的tr为4ns→1ns→0.5ns→ECL(emitter-coupledlogic)的tr为3ns→1ns→0.5ns→⑶信号传输线必须进行特性阻抗值控制。如果不进行特性阻抗值控制时，在线路中产生的信号“反射”，会“抵消”正在传输信号。λ/L比率越小，“反射”越严重，则会产生如下问题：①信号（或能量）传输效率明显下降；②由于反复干扰（抵消）信号传输，将

5、随着频率增加而严重化；③部分“能量”是会以电磁波辐射出去，在内部导线或网络之间形成EMI。1.2信号普通线与信号传输线的差别信号普通线与信号传输线的差别主要有三个方面：⑴信号普通线是指第一信号传输被接受完成后，才发送第二个信号，因此第一个信号传输过程中的“反射”信号，不会抵消第二个信号。而信号传输线的特征是第一个信号传输还没有被接受，就发送第二个信号，因此第一信号传输过程中产生的“反射”信号就可抵消第二个信号而削弱了第二个信号，频率越快的传输信号，则“失真”就越多，甚至信号消失。⑵信号普通线，由于信号传输速度慢，“反射”信号不

6、会抵消后面传输的信号。因此，导线的粗细、缺陷（缺口、针孔）等是允许某些程度存在着。而在信号传输线中，这些粗细、缺陷等要进行十分严格的要求。⑶信号普通线，不要求特性阻抗值控制，只要求“通”、“断”、“短路”的电气测试。而信号传输线要求特性阻抗值控制，即除了要求“通”、“断”、“短路”的电气测试外，还必须有特性阻抗值控制的测试。2PCB中特性阻抗值Z0的设计2.1Z0的的结构类型与计算方法主要有两种：微带线和带状线及其派生的各种各样的结构，如何选用，应视元件和电子产品而定。微带线(适合Z0较大的场合)。Z0={87/（εr+1.4

7、1）1/2}ln{5.98H/(0.8W+T)}带状线（适合Z0较小的场合）。Z0=60ln{4D/[0.67π(0.8W+T)]}公式中的D为介质量层厚度。2.2微带线的的结构与计算方法根据信号传输线的不同位置可以形成各种各样的结构及其计算方法（参见《现代印制电路基础》一书第十四章）。2.3特性阻抗值Z0的一般设计规则⑴选用合适的基板（CCL）材料和PCB结构，确定信号传输线的长度等以确定PCB尺寸。⑵合理的布局与布线，使每组（网络）导线的特性阻抗值Z0与元（组）件的特性阻抗值相匹配。⑶应考虑基板材料品质的不稳定波动、PCB

8、制造过程的偏差与控制和PCB设计的因素等带来在PCB中特性阻抗值Z0偏差的补救与修正的措施和办法。3信号传输线的布设3.1信号传输线的长度越短越好根据信号“传输线”的定义，信号线布设得很短，使其长度小于1/7传输信号波长，便可消除传输信号被“反射”信号而削弱问题。或者说，信号