PCB設計中應避免產生銳角和直角,產生不必要的輻射,同時工藝性能也不好。——這是PCB布線基本規則中的“倒角規則”。通常,我們都會多次強調直角走線是PCB布線中要求盡量避免的情況,而這也幾乎成為衡量布線好壞的標準之一。那么,直角走線究竟會對信號傳輸產生多大的影響呢?
▲倒角規則
直角走線的對信號的影響
直角走線的對信號的影響就是主要體現在三個方面:
一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負載,減緩上升時間;
二是阻抗不連續會造成信號的反射;
三是直角尖端產生的EMI。
一、直角走線的電容效應
傳輸線的直角帶來的寄生電容可以由下面這個經驗公式來計算:
C=61W(Er)1/2/Z0
在上式中,C就是指拐角的等效電容(單位:pF),W指走線的寬度(單位:inch),εr指介質的介電常數,Z0就是傳輸線的特征阻抗。
舉個例子,對于一個4Mils的50歐姆傳輸線(εr為4.3)來說,一個直角帶來的電容量大概為0.0101pF,進而可以估算由此引起的上升時間變化量:
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
通過計算可以看出,直角走線帶來的電容效應是極其微小的。
二、阻抗不連續造成信號的反射
從原理上說,銳角、直角走線會使傳輸線的線寬發生變化,造成阻抗的不連續。阻抗不連續就會反射。
由于直角走線的線寬增加,該處的阻抗將減小,于是會產生一定的信號反射現象,我們可以根據阻抗計算公式來算出線寬增加后的等效阻抗,然后根據經驗公式計算反射系數:ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0),一般直角走線導致的阻抗變化在7%-20%之間,因而反射系數最大為0.1左右。
事實上,不光是直角走線,頓角,銳角走線都可能會造成阻抗變化的情況,所以理論上最好的拐角方式是圓弧,但是一般設計中我們都是使用45°/135°拐角,圓弧拐角一般只是出現在RF射頻PCB中,要求無損傳輸的情況下。
三、直角尖端產生的EMI
很多人對直角走線都有這樣的理解,認為尖端容易發射或接收電磁波,產生EMI,這也成為許多人認為不能直角走線的理由之一。然而很多實際測試的結果顯示,直角走線并不會比直線產生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能,測試水平制約了測試的精確性,但至少說明了一個問題,直角走線的輻射已經小于儀器本身的測量誤差。
總的說來,直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在非射頻及高速電路的應用中,其產生的任何諸如電容,反射,EMI等效應在TDR測試中幾乎體現不出來,高速PCB設計工程師的重點還是應該放在布局,電源/地設計,走線設計,過孔等其他方面。
當然,盡管直角走線帶來的影響不是很嚴重,但并不是說我們以后都可以走直角線,注意細節是每個優秀工程師必備的基本素質,而且,隨著數字電路的飛速發展,PCB工程師處理的信號頻率也會不斷提高,到10GHz以上的RF設計領域,這些小小的直角都可能成為高速問題的重點對象。
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原文標題:為什么PCB走線中避免出現直角?直角走線真的那么可怕嗎?
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