- 探究不規(guī)則電路對輻射與阻抗的影響
- 學(xué)習(xí)分析特性阻抗量測系統(tǒng)
- 利用TDR量測的特性阻抗值
前言
最近幾年電路板非常流行所謂的「meander」導(dǎo)線,然而這種不規(guī)則(zigzag)導(dǎo)線隨著clock頻率不斷提高,設(shè)計人員也意識到必需使導(dǎo)線pattern盡可能完全相同。理論上從driver端至接收收端(receiver)直線距離有可能完全相同,不過事實上當(dāng)兩者之間的距離越來越長時,導(dǎo)線pattern勢必成為不規(guī)則形狀,有鑒于此本文將透過實驗結(jié)果,深入探討直線狀與不規(guī)則狀的 pattern差異對電路的影響。
實驗步驟
圖1是實驗用印刷電路板的外觀,阻抗(impedance) Zo為50Ω,共有A~G 7種線路圖案(pattern)(圖2),pattern長度都是290mm,由于不規(guī)則layout因此pattern長度被壓縮成150mm,如圖3所示電路圖案都無直角彎曲設(shè)計。四層電路板為四層板總厚度1.6mm,第一層裝設(shè)電子組件,第二至第四層分別是接地層(earth)、Vcc層與電路圖(圖4),輻射資料是根據(jù)3米(meter)法則水平放置電路板量測水平偏波。
圖1 電路板的外觀
圖2 7種線路pattern對特性阻抗的影響
圖3 線路圖案彎曲與特性阻抗 Zo 的變化
圖4 實驗用電路
圖5是上述實驗所獲得的輻射資料。如圖所示7種線路圖案都有長70mm的直線部分,E與G的線路圖案的頻率為650~850MHz,直線部分長度為130 mm的;D與F的線路圖案有頻率為350~450MHz,具有較多的輻射。
若將電路板的誘電率ε列入考慮,并且假設(shè)電路板上的光速為時:
650 MHz的波長λ=277mm,λ/4=70mm
650 MHz的波長λ=514mm,λ/4=130mm
依此就可推論「線路圖案直線部分」與「造成輻射最大值的波長」兩者的關(guān)連性,也就是說線路圖案直線部分長度較短的A、B、C三線路圖案的輻射較低,相形之下D、E、F的輻射比較大;凹凸集中的D、E、F的輻射比凹凸分散的A、B、C大,G則無法納入檢討范圍。
圖5 7種線路圖案產(chǎn)生的輻射
(1)。編號G的線路圖案除外,其它線路圖案的阻值Zo 并無明顯差異。
(2)。編號C、D的線路圖案,輸入端子正后方如果有凹凸時,其附近的阻值Zo 很高。
(3)。編號G的線路圖案特性極差。
必需注意的是包含編號G的線路圖案再內(nèi),線路圖案的「物理長度」物理長度皆為290mm
圖6 板上的線路圖案種類電路
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圖7 電路板的線路圖案特性阻抗量測系統(tǒng)
圖8 7種線路圖案利用TDR量測的特性阻抗值
相較之下「電氣長度」亦即330-152=178mm幾乎成一定值。由以上結(jié)論出現(xiàn)下列兩個疑問:
(1)。一般都認(rèn)為「電氣長度」與「物理長度」,可是線路圖案彎曲次數(shù)亦即凹凸次數(shù)與長度的關(guān)系為何?
(2)。半導(dǎo)體廠商對阻值Zo 的誤差量一般都設(shè)為±10%,上述實驗證明事實上誤差量可低于±5%,不過半導(dǎo)體廠商將來要如何定義輸入阻值?
有關(guān)第(1)項的質(zhì)疑例如圖8所示線路不規(guī)則為 ,圖案全長為L時:
的關(guān)系會成立,式中的亦即信號行進(jìn)橫向合計尺寸與線路不規(guī)則n無關(guān),也就是說必需抑制L的2nh,如此一來為了增加n必需減少h,因此圖9的線路不規(guī)則次數(shù)越多,圖案的h必需設(shè)法使它變得更小,然而圖8的不規(guī)則線路卻未發(fā)生L阻抗成份,且圖的信號未依照a→b→c→d→e路徑行進(jìn),卻由a→d→e→h→i路徑行進(jìn),主要原因由如圖10的說明便可獲得合理的解釋。