史凌峰 林 凱 楊一洲 彭 程

(西安電子科技大學(xué)超高速電路設(shè)計(jì)與電磁兼容教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710071)

1.引 言

在設(shè)計(jì)高速電路系統(tǒng)時(shí),信號傳輸線在印刷電路板上的特性決定了信號傳輸時(shí)的完整性。在實(shí)際電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由于傳輸線寬度變化、傳輸線與元器件引腳連接等情況的存在,必然會(huì)產(chǎn)生阻抗突變,一旦傳輸線阻抗發(fā)生變化,信號就會(huì)在突變處產(chǎn)生信號衰減、信號反射、信號失真等信號完整性問題[1]。一般情況下,阻抗突變是由于傳輸線線寬和厚度的變化、系統(tǒng)空間布局的密度不同、電路板介電常數(shù)的變化等因素引起的。在工程應(yīng)用中,以上情況的發(fā)生都是不可避免的。因此,在高頻和超高速電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,就必須對電路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),盡量減小系統(tǒng)的阻抗突變,使電路滿足一定的抗噪能力。在系統(tǒng)頻率低于50 MHz的系統(tǒng)中,為了減小系統(tǒng)的阻抗突變,最常用的方法是通過使傳輸線的特性阻抗大于終端阻抗以補(bǔ)償線路與元器件之間相連的負(fù)載效應(yīng)[1-2]。而在設(shè)計(jì)工作頻率大于50 MHz或者更高頻率的電路系統(tǒng)時(shí),則經(jīng)常使用阻抗?jié)u變線[3-4]、1/4波長阻抗變換電路[5-6]、網(wǎng)格型返回路徑[1-2]來控制傳輸線的特性阻抗,或者使用保護(hù)接地技術(shù)減小信號串?dāng)_[7],從而實(shí)現(xiàn)較好的信號完整性。但這些方法在實(shí)際設(shè)計(jì)與電路板布線時(shí)均相對復(fù)雜,并且增大了電路板的尺寸、增加了生產(chǎn)成本。為了解決以上這些實(shí)際問題,在設(shè)計(jì)高頻或高速電路時(shí)需要理論指導(dǎo)來控制信號傳輸線的特性阻抗。本文針對該問題提出一種通過改變信號返回路徑的寬度來控制傳輸線特性阻抗的新方法,其在滿足控制傳輸線特性阻抗的同時(shí),布線相對簡單。

2.理論分析

2.1 傳輸線特性阻抗

設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí),設(shè)計(jì)者都會(huì)設(shè)計(jì)信號層、電源層與地層。通常,地層均設(shè)置在與信號線臨近、平行并且之間被絕緣介質(zhì)所分離的平面。當(dāng)在設(shè)計(jì)低頻電路系統(tǒng)時(shí),人們通常用地平面作為信號的返回路徑。然而,在設(shè)計(jì)高頻電路系統(tǒng)時(shí),由于潛在的信號完整性問題,設(shè)計(jì)者就不能簡單地使用地平面作為信號傳輸線的返回路徑了。

對于高頻或高速電路系統(tǒng),要保證系統(tǒng)具有良好的信號完整性,最直接、有效的方法就是盡量使信號傳輸線的特性阻抗保持一致。對于理想的無損傳輸線,其特性阻抗為[8]

式中:Z 0表示傳輸線的特性阻抗,單位為Ω;L L表示傳輸線單位長度回路電感;C L表示傳輸線單位長度電容量。

由式(1)可知,對于無損傳輸線,決定特性阻抗的主要因素是傳輸線單位長度電容量和傳輸線單位長度電感量。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,通常使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算傳輸線的特性阻抗。例如對于常用的微帶線,計(jì)算其特性阻抗的經(jīng)驗(yàn)公式為[8]

式中:Z0表示傳輸線的特性阻抗,單位為Ω;h表示信號線與信號返回平面間的介質(zhì)厚度,單位為mil;w表示信號線的線寬,單位為mil;t表示信號線金屬厚度,單位為mil;εr表示材料的介電常數(shù)。

由(2)式可知,影響微帶線特性阻抗的主要因素有信號線與平面間的介質(zhì)厚度、介質(zhì)材料、傳輸線線寬以及導(dǎo)線金屬厚度。在一塊印刷電路板上要改變介質(zhì)厚度或者介質(zhì)材料,必然會(huì)在很大程度上增加設(shè)計(jì)難度與生產(chǎn)成本。同時(shí),由于對印刷電路板的尺寸和各種元器件布局的要求,通過改變傳輸線線寬和導(dǎo)線金屬厚度來控制傳輸線特性阻抗的能力是比較有限的,因此,有效控制微帶線的特性阻抗是比較困難的事情。然而,上式并沒有考慮信號返回路徑對傳輸線特性阻抗的影響,這就限制了通過控制信號返回路徑的結(jié)構(gòu)來控制傳輸線特性阻抗的方法的應(yīng)用[1]。下面對通過調(diào)整信號返回路徑的結(jié)構(gòu)來控制傳輸線特性阻抗的方法進(jìn)行詳細(xì)分析與討論。

2.2 信號返回路徑寬度對傳輸線特性阻抗的影響

對于均勻傳輸線,當(dāng)信號在其上傳播時(shí),在任何一處受到瞬態(tài)阻抗都是相同的。均勻傳輸線的特性阻抗在數(shù)值上與瞬態(tài)阻抗相等,其計(jì)算公式為[8]

式中:Z0表示傳輸線的特性阻抗,單位為Ω;C L表示單位長度電容量,單位為pF/in;εr表示絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)。

由式(3)可知,影響傳輸線特性阻抗的主要因素為傳輸線單位長度電容、介質(zhì)的介電常數(shù)。通常情況下,介質(zhì)的介電常數(shù)都是不變的。所以,傳輸線的單位長度電容就成了影響傳輸線特性阻抗的主要因素。

現(xiàn)在已知,傳輸線的電容是由于信號在傳輸過程中,信號線與信號返回路徑之間的電壓差產(chǎn)生的,如圖1所示的微帶線模型。

由圖1可以看出,當(dāng)信號在微帶線上傳輸時(shí),由于信號傳輸線和信號返回路徑之間存在一定的電荷,所以會(huì)在信號傳輸線和返回路徑之間產(chǎn)生電容。如果信號返回路徑變窄,則傳輸線的單位長度電容減小,再結(jié)合式(3),可以得出傳輸線的特性阻抗會(huì)增大。相反,信號返回路徑變寬,傳輸線單位長度電容增大,使得傳輸線特性阻抗減小。

圖1 微帶線模型

因此,在設(shè)計(jì)信號傳輸線特性阻抗時(shí),可以通過調(diào)節(jié)信號返回路徑的寬度來調(diào)節(jié)傳輸線特性阻抗,以優(yōu)化信號傳輸路徑間的阻抗匹配。

2.3 理論驗(yàn)證

計(jì)算信號傳輸線特性阻抗時(shí),如果要求的精度優(yōu)于10%,就不能使用近似算法。通過利用二維場求解器分析傳輸線的阻抗特性,所得到的結(jié)果最大誤差不超過0.5%[8]。本文利用Ansoft的2D Extractor場求解器來分析信號返回路徑對微帶線特性阻抗的影響,其結(jié)果最大誤差不超過0.5%。

設(shè)置仿真模型如圖1所示,其中,設(shè)金屬導(dǎo)線厚度為t,信號線與信號返回路徑間的介質(zhì)厚度為h,信號線寬度為w,信號返回路徑的寬度為m。這些參數(shù)的單位均為mil。

仿真時(shí),金屬導(dǎo)線的厚度t取0.7 mil,信號傳輸線與信號返回路徑間的絕緣介質(zhì)為FR4,介電常數(shù)取4.4,信號傳輸線寬度w取10 mil,再根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中常用的幾種絕緣介質(zhì)的厚度,分別取介質(zhì)厚度 h 等于 25 mil(0.6 mm)、30 mil(0.75 mm)、35 mil(0.88 mm)、40 mil(1 mm)、47 mil(1.2 mm)、63 mil(1.6 mm),通過調(diào)整信號返回路徑的寬度,研究信號返回路徑寬度對傳輸線特性阻抗的影響,同時(shí)與經(jīng)驗(yàn)公式(2)的計(jì)算結(jié)果做比較。表1列出仿真結(jié)果中的一些典型數(shù)據(jù)。

表1 傳輸線特性阻抗仿真結(jié)果

表2 公式(4)可信度驗(yàn)證結(jié)果

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表1可以看出,傳輸線的特性阻抗隨著信號返回路徑寬度的增加而減小,而且當(dāng)信號返回路徑寬度約等于介質(zhì)厚度的4倍時(shí),傳輸線的特性阻抗與根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算得出的特性阻抗最為接近。修改此模型的各項(xiàng)參數(shù),進(jìn)行多次仿真分析,得到適用于微帶線特性阻抗的經(jīng)驗(yàn)公式(4)

式中:Z0為傳輸線特性阻抗,單位為 Ω;x為信號返回路徑寬度,單位為mil;Z′0為由公式(2)計(jì)算所得的傳輸線阻抗值,單位為Ω;a=2619.1276,;b=-550.99982;c=-428722.28;d=50.128766;e=27870074;f=51846.299;g=-1.7760452;h=-6.3798234×108;i=-1648296.3;j=-1712.6608.

為了驗(yàn)證公式(4)的可信度,隨機(jī)調(diào)整模型的各參數(shù),包括信號傳輸線寬度、介質(zhì)厚度、返回路徑寬度和介質(zhì)的介電常數(shù),進(jìn)行多次仿真試驗(yàn),并將其結(jié)果與由經(jīng)驗(yàn)公式(4)計(jì)算所得結(jié)果相比較,表2列出其中5組數(shù)據(jù)。

由表2可以看出,通過改變模型的各參數(shù),對公式(4)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用經(jīng)驗(yàn)公式(4)計(jì)算所得的微帶線特性阻抗精度為±1%。

由于公式(4)是通過對圖1所示的微帶線模型進(jìn)行擬合得出的,因此,僅適用于計(jì)算微帶線的信號返回路徑。而對于其它常應(yīng)用于印刷電路板設(shè)計(jì)中的帶狀線、非對稱帶狀線等形式的信號傳輸線,公式(4)不適用。但通過改變其信號傳輸線的返回路徑,仍然能夠在一定程度上控制信號傳輸線的特性阻抗。

在高速電路設(shè)計(jì)中,傳輸器的終端往往會(huì)加載非線性器件[9]。當(dāng)器件引腳與信號傳輸線相連接時(shí),必然會(huì)產(chǎn)生容性負(fù)載,造成接收端信號失真,影響系統(tǒng)的信號完整性[8]。

設(shè)計(jì)PCB模型如圖2所示,信號傳輸線長為20 cm、寬為10 mil、金屬厚度為0.7 mil,其返回路徑寬為100 mil。信號傳輸線和其返回路徑之間的絕緣介質(zhì)為FR-4,介電常數(shù)為4.4,厚度為30 mil。其特性阻抗為110Ω。取100 MHz的外部時(shí)鐘,通過特性阻抗為50Ω的同軸電纜連接在信號傳輸線上。信號傳輸線終端負(fù)載的阻抗Z c為100Ω。在信號傳輸線的輸入端串聯(lián)一個(gè)10Ω的電阻Z i。由于負(fù)載效應(yīng),在傳輸線的末端會(huì)形成約3 pF的容性負(fù)載。使用示波器觀察發(fā)送端a和接收端b的波形,如圖3所示?？梢钥闯?相對于發(fā)送端a(實(shí)線所示)的波形,接收端b(虛線所示)有明顯的信號上沖現(xiàn)象。這是由于容性負(fù)載的存在,使得傳輸線的特性阻抗減小,造成電路系統(tǒng)的阻抗不匹配。減小信號返回路徑的寬度為40 mil,這時(shí),傳輸線的特性阻抗為128Ω。通過示波器可以看到接收端b(點(diǎn)線所示)的信號上沖現(xiàn)象較之前得到了較大的改善。由此可見,通過減小模型中信號返回路徑的寬度,使得傳輸線的特性阻抗增大,可以補(bǔ)償容性負(fù)載對電路所產(chǎn)生的影響。

4.結(jié) 論

通過調(diào)整信號返回路徑的寬度,可以方便、有效地控制高速電路系統(tǒng)中信號傳輸線特性阻抗。根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果,得到了設(shè)計(jì)高速電路系統(tǒng)中信號返回路徑寬度的經(jīng)驗(yàn)公式,并驗(yàn)證了通過適當(dāng)調(diào)整信號返回路徑的寬度,可以有效補(bǔ)償負(fù)載效應(yīng),提高電路系統(tǒng)的信號完整性。該方法對解決高速電路板設(shè)計(jì)中的信號完整性問題提供了一個(gè)較好的理論指導(dǎo)依據(jù)和處理方法,對理論研究和工程實(shí)踐均具有重要的參考價(jià)值。

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