不规则电路设计对辐射与阻抗的影响

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前言

最近几年电路板非常流行所谓的「meander」导线,然而这种不规则(zigzag)导线随着clock频率不断提高,设计人员也意识到必需使导线pattern尽可能完全相同。理论上从driver端至接收收端(receiver)直线距离有可能完全相同 ,不过事实上当两者之间的距离越来越长时,导线pattern势必成为不规则形状,有鉴于此本文将透过实验结果,深入探讨直线状与不规则状的 pattern差异对电路的影响。

实验步骤

图1是实验用印刷电路板的外观,阻抗(impedance) Zo为50Ω,共有A~G 7种线路图案(pattern)( 图2),pattern长度都是290mm,由于不规则layout因此pattern长度被压缩成150mm,如图3所示电路图案都无直角弯曲设计。四层电路板为四层板总厚度1.6mm,第一层装设电子组件,第二至第四层分别是接地层(earth)、Vcc层与电路图(图4),辐射资料是根据3米(meter)法则水平放置电路板量测水平偏波。

图1 电路板的外观

图2 7种线路pattern对特性阻抗的影响

图3 线路图案弯曲与特性阻抗 Zo 的变化

图4 实验用电路

图5是上述实验所获得的辐射资料。如图所示7种线路图案都有长70mm的直线部分,E与G的线路图案的频率为650~850MHz,直线部分长度为130 mm的;D与F的线路图案有频率为350~450MHz,具有较多的辐射。

若将电路板的诱电率ε列入考虑,并且假设电路板上的光速为时:

650 MHz的波长λ=277mm,λ/4=70mm

650 MHz的波长λ=514mm,λ/4=130mm

依此就可推论「线路图案直线部分」与「造成辐射最大值的波长」两者的关连性,也就是说线路图案直线部分长度较短的A、B、C三线路图案的辐射较低,相形之下D、E、F的辐射比较大;凹凸集中的D、E、F的辐射比凹凸分散的A、B、C大,G则无法纳入检讨范围。

图5 7种线路图案产生的辐射

上述实验用印刷电路板的阻抗Zo 是利用图6的理论计算公式所获得的计算结果,为了量测类似MHz等级电路板实际动作时阻抗值,因此利用图7所示TDR(Time Domain Refrectometer)量测器检测电路板的阻抗。TDR的动作原理是捕捉电波或是超音波撞击物体后反弹的信号(echo)再将时差强弱图像画,依此量测结果如图8所示。由图可归纳下列三项结论:

(1)。编号G的线路图案除外,其它线路图案的阻值Zo 并无明显差异。

(2)。编号C、D的线路图案,输入端子正后方如果有凹凸时,其附近的阻值Zo 很高。

(3)。编号G的线路图案特性极差。

必需注意的是包含编号G的线路图案再内,线路图案的「物理长度」物理长度皆为290mm

图6 板上的线路图案种类电路

图7 电路板的线路图案特性阻抗量测系统

图8 7种线路图案利用TDR量测的特性阻抗值

相较之下「电气长度」亦即330-152=178mm几乎成一定值。由以上结论出现下列两个疑问:

(1)。一般都认为「电气长度」与「物理长度」,可是线路图案弯曲次数亦即凹凸次数与长度的关系为何?

(2)。半导体厂商对阻值Zo 的误差量一般都设为±10%,上述实验证明事实上误差量可低于±5%,不过半导体厂商将来要如何定义输入阻值?

有关第(1)项的质疑例如图8所示线路不规则为 ,图案全长为L时:

的关系会成立,式中的亦即信号行进横向合计尺寸与线路不规则n无关,也就是说必需抑制L的2nh,如此一来为了增加n必需减少h,因此图9的线路不规则次数越多,图案的h必需设法使它变得更小,然而图8的不规则线路却未发生L阻抗成份,且图的信号未依照a→b→c→d→e路径行进,却由a→d→e→h→i路径行进,主要原因由如图10的说明便可获得合理的解释。

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