PCB傳輸線簡介

PCB內的傳輸線有微帶線和帶狀線兩種基本的拓撲類型。當PCB在外層布線時，它的結構呈非對稱性，稱此類布線為微帶線拓撲，微帶線包括單微帶線和埋入式結構形式。當PCB在內層布線時，常被稱為帶狀線，帶狀線包括單、雙，對稱或非對稱等結構形式。共面型的拓撲類型可以同時實現微帶線和帶狀線的結構。

在高速數字邏輯電路中，PCB導線的傳輸線效應已成為影響電路正常工作的一個主要因素。在數字電路系統中使用了不同的數字邏輯器件，而不同的數字邏輯器件具有不同的輸入/輸出阻抗。例如，ECL（射極耦合邏輯）的輸入/輸出阻抗為50Ω，而TTL（晶體管-晶體管邏輯）的輸出阻抗在20～100Ω之間，且輸入阻抗還要高些。在PCB布線時，必須要考慮傳輸線阻抗與器件輸入/輸出阻抗的匹配。

在高速數字邏輯電路中的傳輸線都必須進行阻抗控制。為獲得最佳性能，在布線前，可以利用廠商提供的計算軟件確定最佳的布線寬度和布線到最近的參考平面的距離。

應注意以下幾點。

① 在計算傳輸線阻抗時，傳輸線阻抗計算精度與線寬、線條距離參考平面的高度（介質厚度）和介電常數，以及回路長度、印制線厚度、側壁形狀、阻焊層覆蓋范圍、同一個部件中混合使用的不同介質等因素有關，因此精確的計算與仿真實際上是十分困難的。注意，下面介紹的關于微帶線和帶狀線的計算公式都不能應用在兩層以上介質材料（空氣除外）或由多種類型的薄板壓制的PCB的情況中。所有計算公式 ^[15～18] 都引自于IPC-D-317A，Design Guidelines for Electronic Packaging Utilizing High-Speed Techniques。

② 由于制造過程中制造公差的影響，所以印制板材料會有不同的厚度和介電常數。另外，由于刻蝕的線寬可能與設計要求值也有所差異等，所以要想獲得精確的傳輸線阻抗往往也不是很容易的。為了獲得精確的傳輸線阻抗，需要與廠商協商和測試，以獲得真實的介電常數及刻蝕銅線的頂部和底部寬度等制造工藝參數。

③ 由于公式的計算在很多時候是近似的，此時經驗法則就會起到很有效的作用。在很多情況下，通常只用一個簡單計算器計算出的結果也可以滿足多數應用的要求。

4.3.2　微帶線

對于高速數字電路來講，要在PCB上實現線條阻抗控制，可采用微帶線。微帶線是一種有效的拓撲結構。微帶線示意圖如圖4-22所示。對于平面結構，微帶線是暴露于空氣和介質間的。微帶線線條阻抗的計算公式 ^[15～18] 如下所示。

式中，Z ₀ 是特性阻抗（歐姆）；W是線條寬度；T是印制線厚度；H是信號線與參考平面的間距；C ₀ 是線條自身的電容（pF/單位長度）；ε _r 是平板材料的介電常數。

當W與H的比值小于等于0.6時，式（4-15）的典型精度為±5%；當W與H的比值在0.6～2.0之間時，精度下降到±20%。制造公差值通常取在10%以內。在信號頻率為1GHz以下的設計中，可以忽略印制線厚度的影響。

信號沿微帶線傳輸的延時 ^[15] 為

式（4-17）表明，在這個傳輸線中，信號的傳播速度僅僅與介質材料的有效介電常數ε _r 相關。

4.3.3　埋入式微帶線

埋入式微帶線示意圖如圖4-23所示。與圖4-22所示的微帶線不同，埋入式微帶線在銅線上方的平面也有介質材料，這個介質材料可以是芯線、阻焊層、防形變涂料、陶瓷或所需的為達到其他功能或機械性能而使用的材料。

注意： 介質材料的厚度或許是不對稱的。

埋入式微帶線的特性阻抗計算公式 ^[15～18] 為

式中，Z ₀ 是特性阻抗（Ω）；W是線條寬度；T是印制線厚度；H是信號線與參考平面的間距；C ₀ 是線條自身的電容（pF/單位長度）；B是兩層介質的整體厚度；εr是平板材料的介電常數；0.1<W/H<3.0；0.1<ε _r <15；ε _r ′為修正介電常數。

注意： 埋入式微帶線的阻抗計算公式與微帶線的阻抗計算公式除了修正介電常數ε′ _r 不同外，其余的都相同。如果導體上的介質厚度大于千分之一英寸，則ε′ _r 需要通過實驗測量或場計算的方法來確定。

信號沿埋入式微帶線傳輸的延時 ^[15] 為

式中，  ；0.1<W/H<3.0；1<ε _r <15。

對于介電常數ε _r 為4.1的FR-4芯材，埋入式微帶線典型的傳輸延時為0.35ns/cm或1.16ns/ft（0.137ns/in）。

4.3.4　單帶狀線

帶狀線是電路板內部的印制導線，位于兩個平面導體之間。帶狀線完全為介質材料包圍，并不暴露于外部環境中。

在帶狀線結構中，任何布線產生的輻射都會被兩個參考平面約束住。帶狀線結構能夠約束磁場并減小層間的串擾。參考平面會顯著地減少RF能量向外部環境的輻射。單帶狀線示意圖如圖4-24所示。

單帶狀線的特性阻抗計算公式 ^[15～18] 為

式中，Z ₀ 是特性阻抗（Ω）；W是線條寬度；T是印制線厚度；H是信號線與參考平面的間距；C ₀ 是線條自身的電容（pF/單位長度）；B是兩層參考平面間的介質厚度；ε _r 是平板材料的介電常數；W/(H-T )<0.35；T/H<0.25。

信號在帶狀線上的傳輸延時 ^[15] 為

4.3.5　雙帶狀線或非對稱帶狀線

雙帶狀線或非對稱帶狀線示意圖如圖4-25所示，這種結構增強了布線層和參考平面之間的耦合。

雙帶狀線的特性阻抗計算公式 ^[15～18] 為

式中，Z ₀ 是特性阻抗（Ω）；W是線條寬度；T是印制線厚度；H是信號線與參考平面的間距；C ₀ 是線條自身的電容（pF/單位長度）；D是信號層間的介質厚度；ε _r 是平板材料的介電常數。圖4-25中的B是參考平面的間距；W/(H-T)<(H-T )<0.35；T/H<0.25。

雙帶狀線結構的傳輸延時與單帶狀線相同。

注意： 當使用雙帶狀線拓撲時，兩層的布線必須相互正交，即一層布線為X軸方向，則另外一層布線就為Y軸方向。

　差分微帶線和差分帶狀線

差分微帶線和差分帶狀線示意圖如圖4-26所示。差分微帶線沒有頂部的參考平面，差分帶狀線有兩個參考平面，而且兩條差分帶狀線與兩個參考平面具有相同的距離。差分布線從理論上講不受共模噪聲的干擾。

差模阻抗Z _diff 的計算公式 ^[15～18] （對于工作頻率在1GHz以下的信號）為

式中，Z ₀ 是特性阻抗（Ω）；W是線條寬度；T是印制線厚度；H是信號線與參考平面的間距；B是參考平面的間距；ε _r 是平板材料的介電常數。

　傳輸延時與介電常數εr的關系

電磁波的傳播速度取決于周圍介質的電特性。在空氣或真空中，電磁波的傳播速度為光速。在介質材料中，其傳播速度會降低。

傳播速度和有效相對介電常數  的關系 ^[15] 為

式中，v _p 是傳播速度；C=3×106m/s或近似為30cm/ns（12in/  ）；？是有效相對介電常數。

有效相對介電常數  是電信號沿導電路徑發送時所測定的相對介電常數。有效相對介電常數可以用時域反射計（TDR）或通過測試傳輸延時和路徑長度并通過計算來確定。

對于介電常數ε _r 為4.3的FR-4，不同布線拓撲結構的源和負載間的信號傳輸延時不同，例如，微帶線為1.68ns/ft（140ps/in），埋入式微帶線為2.11ns/ft（176ps/in）。