PCB线宽变化引起的反射

In PCB 布线时,经常会出现必须使用细线穿过布线空间有限的区域,然后将线恢复到原来的宽度的情况。 线宽的变化会引起阻抗的变化,从而导致反射并影响信号。 那么我们什么时候可以忽略这种影响,什么时候我们必须考虑它的影响呢?

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三个因素与这种影响有关:阻抗变化的幅度、信号上升时间和信号在窄线上的延迟。

首先,讨论阻抗变化的幅度。 许多电路的设计要求反射噪声小于电压摆幅的5%(这与信号上的噪声预算有关),根据反射系数公式:

阻抗的近似变化率可计算为△Z/Z1 ≤ 10%。 您可能知道,电路板上阻抗的典型指标是 +/-10%,这就是根本原因。

如果阻抗变化只发生一次,例如当线宽从8mil变为6mil并保持6mil时,阻抗变化必须小于10%才能达到突变时信号反射噪声的噪声预算要求不超过电压摆幅的 5%。 这有时很难做到。 以FR4板上的微带线为例。 让我们计算一下。 如果线宽为8mil,则线与参考平面之间的厚度为4mil,特性阻抗为46.5欧姆。 当线宽变为6mil时,特性阻抗变为54.2ohm,阻抗变化率达到20%。 反射信号的幅度必须超过标准。 至于对信号有多大影响,还与信号上升时间和从驱动器到反射点信号的时间延迟有关。 但这至少是一个潜在的问题点。 幸运的是,您可以使用阻抗匹配端子来解决问题。

如果阻抗变化发生两次,例如线宽从8mil变为6mil,拉出8cm后又变回2mil。 然后在2cm长6mil宽的线路两端反射,一个是阻抗变大,正反射,然后阻抗变小,负反射。 如果反射之间的时间足够短,则两次反射可能会相互抵消,从而降低效果。 假设传输信号为1V,0.2V在第一次正反射时反射,1.2V向前传输,-0.2*1.2=0.24V在第二次反射时反射回来。 假设6mil线路的长度极短,两次反射几乎同时发生,则总反射电压仅为0.04V,低于噪声预算要求的5%。 因此,这种反射是否以及影响信号的程度取决于阻抗变化的时间延迟和信号上升时间。 研究和实验表明,只要阻抗变化处的延迟小于信号上升时间的 20%,反射信号就不会造成问题。 如果信号上升时间为1ns,则阻抗变化时的延迟小于0.2英寸对应的1.2ns,反射不成问题。 换句话说,在这种情况下,小于 6cm 的 3mil 宽电线长度应该不是问题。

当PCB走线宽度发生变化时,应根据实际情况仔细分析,看是否有影响。 需要关注三个参数:阻抗变化多少,信号上升时间有多长,线宽颈状部分变化多长时间。 根据上述方法进行粗略估计,并适当留出一些余量。 如果可能,尽量减少颈部长度。

需要指出的是,在实际PCB加工中,参数不可能像理论上的那样准确。 理论可以为我们的设计提供指导,但它不能被复制或教条。 毕竟,这是一门实用的科学。 估计值应根据实际情况进行修正,然后应用于设计。 如果您觉得缺乏经验,请保守一点并根据制造成本进行调整。