(4)IPC-2141的3.4.4提出:当信号在导线中传输时,如果导线长度接近信号波长 的1/7时,此时的导线被视为信号传输线。

(5)举例:

某元件信号传输频率(f)为10MHZ ,PCB上导线长度为50cm,是否应考虑特 性阻抗控制?

解: C = λ.f =3×1010 cm/s

λ=C/f=(3 ×1010 cm/s)/(1 ×107 /s )=3000cm

导线长度/信号波长=50/3000=1/60

因为:1/60《1/7,所以此导线为普通导线,不必考虑特性阻抗问题。

在电磁波理论中,马克斯威尔公式告诉我们:正弦波信 号在介质中的传播速度VS 与光速C成正比,而与传输介质的 介电常数成反比。

VS =C/√εr

当εr =1时,信号传输达到了光的传播速度,即3 ×1010 cm/s 。

2、传输速率与介电常数

不同板材在30MHZ 下的信号传输速度

介质材料 Tg( °C ) 介电常数 信号传输速度(m/μs)

真空 / 1.0 300.00

聚四氟乙烯 / 2.2 202.26

热固性聚丙醚 210 2.5 189.74

氰酸酯树脂 225 3.0 173.21

聚四氟乙烯树脂+E玻璃布 / 2.6 186.25

氰酸酯树脂+玻璃布 225 3.7 155.96

聚酰亚胺+玻璃布 230 4.5 141.42

石英 / 3.9 151.98

环氧树脂玻璃布 130±5 4.7 138.38

铝 / 9.0 100.00

由上表可见,随着介电常数( εr )的增加,信号在介 质材料中的传输速度减小。要获得高的信号传输速度,需采用高的特性阻抗值;高的特性阻抗,必须选用低的介电常数(εr )材料;聚四氟乙烯(Teflon)的介电常数(εr )最小,传输速 度最快。

FR-4板材,是由环氧树脂和E级玻璃布联合组成,介电 常数(εr )为4.7。信号传输速度为138m/μs。改变树脂体系,可较易改变介电常数(εr )。

三、特性阻抗值控制缘由

1、缘由一

电子设备(电脑、通信机)操作时,驱动元件(Driver) 所发出的信号,将通过PCB传输线到达接收元件 (Receiver)。信号在印制板的信号线中传输时,其特性阻抗值Z0 必须 与头尾元件的“电子阻抗”能够匹配,信号中的“能量”才会得 到完整的传输。

2、缘由二

一旦出现印制板质量不良,Z0 超出公差时,所传的信号 会出现反射(Reflection)、散失(DissipaTIon)、衰减 (AttenuaTIon)或延误(Delay)等问题,严重时会传错信 号,死机。

3、缘由三

严格选择板材和控制生产流程,多层板上的Z0 才能符合 客户所要求的规格。元件的电子阻抗越高时,其传输速度才会越快,因而 PCB的Z0 也要随之提高,方能达到匹配元件的要求。Z0 合格的多层板,才算得上是高速或高频讯号所要求的 合格品。