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信号传输线及其特性阻抗
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4 [6 q' _% h' G4 m) c( h$ o r7 O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。+ ?( c5 q9 v" {- V
4 f7 z, p/ e# m ?6 ?9 |: u. } Y
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。6 I: B2 o& {* ^ f
* x# Z: L( j% z1 Q/ x1、信号传输线的提出/ B, {2 _$ ~/ c
- p. U. ]# K" A* Q5 r8 J1.1 信号传输线的定义
2 y/ L# S; q5 r% e6 Y$ [% K( {" e9 `( Q) `' [
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PCB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。
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" ^0 x3 {2 {" v7 W+ z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。3 M* U! T& Z9 A9 [' ~8 Q4 e, Y# b
2 |( S8 K# ]% ]% I6 I i
即: R=V/I! V7 s; r+ y! g7 G
: h1 ^3 R J, C: [在交流电中的“阻力”是由“电阻”、“感抗”和“容抗”的综合结果,
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. \# w, j4 s( o2 P" ~; r" h# ^即: Z=〔R2+(XL-XC)2〕1/2
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& _' ^5 r) s/ C$ |0 F+ {8 V7 C1.2 信号传输线的判断* f1 R/ [8 d5 r* Z. [9 |
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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”。0 }4 i) f; [/ [: [8 X# l" S
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⑴高频信号的传输. L) J4 i6 W, Q3 f2 K+ Z
- s, z5 _: z) m- K. O% y( \; x5 j假设:(一)元件的信号传输频率f=10MHZ,导线L=50cm,则
( R6 B" s0 I4 [/ ]0 P( TC=f*λ
U7 m9 g: @$ v1 P+ Q7 \* e$ \λ= C/f
; o; q4 \0 l8 b$ _9 zλ/L= C/f*L=60
; w: f; H, `2 J; R! u( y& u属于常规导线。6 I& r, v; S. H I: N+ t
/ A- ~2 j3 b9 C W8 {元件的信号传输频率f=1GHZ,导线的长度L=10cm1 o: A) \) B1 t1 R/ r: ]
则 λ/L= C/f*L=3; O# B8 A Q4 a8 u
# U* a6 p- i( A7 I4 A不属于常规导线,应进行特性阻抗值控制的传输线。
( Y0 S4 W" z6 f/ S( v: c# {3 k, ?% t) G9 {
⑵脉冲信号的传输。
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. c4 d& V/ c( t) U1 l8 G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:
V! n( V0 [1 N8 G# N6 Yfmax=0.35/tr
# G E6 R. c8 }
0 y& r/ V7 s: w% n假设:元件的上升时间tr是=2ns,4 m$ m0 K0 Q l- C, t& y' r
则 fmax=0.35/tr=175 MHZ L= C/ fmax*7=24.5 cm
' @( Y, a$ F: N$ f( l
+ P$ W2 B. Z) I8 H# z( P当导线长度≥24.5 cm时,应作为信号传输线处理。, q, U% L, n7 i" Y
6 A: i, w( P. V1 X1 m% [7 K4 P5 d
目前:TTL(transister-transister logic)的tr为4ns→1ns→0.5ns→/ V# ]& c- P# Z) x: A6 W
. B9 t: i6 a' E# N [ECL(emitter-coupled logic) 的tr为3ns→1ns→0.5ns→( P( [9 C1 [" S& b
+ B U" O, N% p* [ z3 f: m& D! M
⑶信号传输线必须进行特性阻抗值控制。( P* o, C7 E( D$ J f/ ^& C
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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: ^3 ]4 f" H4 ^: W% \. l
7 M( u) h0 C9 } l①信号(或能量)传输效率明显下降;. D4 b, @ \6 V
②由于反复干扰(抵消)信号传输,将随着频率增加而严重化;
- k6 C2 v- H( X k' L( u③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。( ?% t8 X5 A. h5 i
0 y5 d% c M+ V1.3、信号普通线与信号传输线的差别
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3 }# J' D1 m Q$ w" O信号普通线与信号传输线的差别主要有三个方面:
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1 f1 C7 d0 k# j' n⑴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。0 p6 M& }0 m# M
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⑵信号普通线,由于信号传输速度慢,“反射”信号不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。
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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。 |
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