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嘉峪檢測網 2025-03-11 08:34
1. 阻抗突變與信號反射
問題:高速信號線依賴精確的阻抗控制(如50Ω或100Ω差分)。鄰近鋪銅會改變信號線與參考平面(如地平面)的耦合關系,導致特性阻抗偏離設計值。
后果:阻抗不連續會引發信號反射,造成過沖、振鈴等問題,嚴重時導致邏輯錯誤。
2. 寄生電容影響高頻性能
問題:鋪銅與高速線之間會形成寄生電容(尤其是平行鋪銅時),電容值與間距成反比。
后果:高頻信號邊沿(上升/下降時間)被減緩,可能導致時序錯亂。信號帶寬受限,影響高速數據傳輸(如PCIe、DDR等)。
本質在于:原本是“帶狀線”,或者“微帶線”,但是你把旁邊鋪上銅了之后,他就變了,變成了“共面波導”。
三種傳輸線結構:帶狀線、微帶線和共面波導。帶狀線是嵌入在兩個參考平面之間的信號線,而微帶線則是在介質基板表面,只有一個參考平面。共面波導則是信號線兩側和下方都有接地銅皮的結構,通常設計用于特定阻抗匹配。
共面波導(Coplanar Waveguide, CPW)阻抗計算
有部分PCB板厚較厚,層數較少,利用上述方法沒有辦法計算出阻抗線的具體參數,這個時候就要考慮共面波導模型,這種模型是信號線參考其旁邊的地線做阻抗,一般在雙面板的場合用的比較多。
(1)單端50歐姆,選用Coated Coplanar Strips With Ground 1B模型,其阻抗計算方法如圖所示,計算結構為阻抗線寬14mil,阻抗線到地線的距離4mil,地線的寬度為20mil。
50歐姆共面波導阻抗模型計算
(2)差分100歐姆,選用 Diff Coated Coplanar Strips With Ground 1B,其阻抗計算方法如圖所示,計算結果為100歐姆差分線寬線距為6/5mil,差分線到地線的距離為7mil,地線線寬為20mil。
100歐姆差分共面波導阻抗模型計算
(3)共面波導阻抗計算參數說明:
1.H1是阻抗線到最近參考層的介質厚度;
2.G1和G2是伴隨地的寬度,一般是越大越好;
3.D1是到伴隨地之間的間距。
共面波導(Coplanar Waveguide, CPW)
結構:信號線與兩側及下方的接地銅皮共面,形成“信號-地-地”的橫向耦合。
電場分布:電場主要集中在信號線與兩側地銅皮之間,縱向耦合較弱。
阻抗特性:由信號線寬度(W)、與地銅皮間距(G)、介質厚度(H)共同決定,公式更復雜(需數值求解或查表)。
當在帶狀線或微帶線旁鋪銅時,無意中引入了額外的共面地結構,導致實際傳輸線類型變為混合模式(如“CPW+微帶”或“CPW+帶狀線”),其阻抗特性與原始設計嚴重偏離。
阻抗失配:
例如,原設計為50Ω微帶線(W=0.2mm, H=0.2mm, ε?=4.3),若兩側鋪銅(G=0.1mm),可能變為CPW結構,實際阻抗可能驟降至30Ω以下。
電磁場畸變:
原微帶線的場分布以垂直方向為主,變為CPW后場分布轉為水平方向,加劇與鄰近線路的串擾。
回流路徑混亂:
在CPW結構中,回流電流可能通過兩側銅皮而非下方地平面,導致高頻信號環路電感增大。
在高速PCB設計中,“鋪銅導致傳輸線類型突變”的本質是電磁場分布和阻抗控制機制的改變。設計師需:
警惕無意識的共面波導化,通過規則約束和仿真規避風險;
在特定場景下,可主動采用CPW結構優化性能,但需精準建模。例如線寬不得不變寬(例如焊盤),則兩邊鋪銅,來優化阻抗連續。
有的設計為了做高速線之間隔離,加了地線及地孔,反而把微帶線變成了“共面波導”,并且間距沒有控制好,造成阻抗不連續,適得其反。
來源:硬十