電路板布線寬度變化引起的反射

在對(duì)PCB板進(jìn)行布線時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：當(dāng)經(jīng)過某個(gè)區(qū)域時(shí)，由于該區(qū)域的布線空間有限，不得不使用較細(xì)的線路。 經(jīng)過該區(qū)域后，線條將恢復(fù)到原來的寬度。 布線寬度的變化會(huì)引起阻抗變化，從而產(chǎn)生反射，影響信號(hào)。 什么情況下可以忽略這種影響，什么情況下必須考慮它的影響？

與此效應(yīng)相關(guān)的因素有三個(gè)：阻抗變化的幅度、信號(hào)的上升時(shí)間以及信號(hào)在窄線上的時(shí)間延遲。

首先，討論阻抗變化的幅度。 許多電路的設(shè)計(jì)要求反射噪聲小于電壓擺幅的 5%（這與信號(hào)上的噪聲預(yù)算有關(guān)）。 根據(jù)反射系數(shù)公式：

阻抗變化率大致可計(jì)算為：△Z/Z1≤10%。 如您所知，電路板上阻抗的典型指標(biāo)是+/- 10%，這是根本原因。

如果阻抗僅變化一次，例如當(dāng)線寬從8mil變?yōu)?mil時(shí)，始終保持6mil寬度，則阻抗變化必須小于10%才能滿足信號(hào)反射噪聲的噪聲預(yù)算要求。 突變不超過電壓擺幅的5%。 這有時(shí)很難做到。 以FR4板上的微帶線為例，我們來計(jì)算一下。 如果線寬為8mil，則線與參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。 當(dāng)線寬變化到6mil時(shí)，特性阻抗變?yōu)?4.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到20%。 反射信號(hào)的幅度必須超過標(biāo)準(zhǔn)。 至于對(duì)信號(hào)的影響，還與信號(hào)上升時(shí)間以及驅(qū)動(dòng)端到反射點(diǎn)的信號(hào)延遲有關(guān)。 但至少這是一個(gè)潛在的問題。 幸運(yùn)的是，這個(gè)問題可以通過阻抗匹配端接來解決。

如果阻抗變化兩次，例如線寬從8mil變?yōu)?mil，拉出2cm后又變回8mil。 那么在2cm長(zhǎng)6mil寬的線的兩端就會(huì)發(fā)生反射。 首先，阻抗變大，引起正反射。 然后，阻抗變小，引起負(fù)反射。 如果兩次反射之間的間隔足夠短，兩次反射可能會(huì)相互抵消，從而減少影響。 假設(shè)傳輸信號(hào)為1V，第一次正反射時(shí)反射0.2V，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反射時(shí)-0.2*1.2=0.24V反射回來。 假設(shè)6mil線極短，并且?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)生兩次反射，則總反射電壓僅為0.04V，小于5%的噪聲預(yù)算要求。 因此，這種反射是否影響信號(hào)以及影響程度取決于阻抗變化時(shí)的時(shí)間延遲和信號(hào)上升時(shí)間。 研究和實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時(shí)間延遲小于信號(hào)上升時(shí)間的20%，反射信號(hào)就不會(huì)造成問題。 如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns，則阻抗變化處的時(shí)間延遲小于0.2ns（對(duì)應(yīng)于1.2in），并且反射不會(huì)引起問題。 也就是說，在這種情況下，如果6mil寬的電纜長(zhǎng)度小于3cm，就不會(huì)有問題。

當(dāng)PCB布線寬度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況仔細(xì)分析，看看是否有影響。 需要關(guān)注三個(gè)參數(shù)：阻抗變化有多大、信號(hào)上升時(shí)間有多長(zhǎng)、線寬變化的頸部有多長(zhǎng)。 按上述方法粗略估算，并適當(dāng)留有一定余量。 如果可能的話，盡量縮短頸部的長(zhǎng)度。

需要指出的是，在實(shí)際PCB加工中，參數(shù)不可能像理論那樣準(zhǔn)確。 理論可以為我們的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，但不能照搬或教條。 畢竟，這是一門實(shí)用科學(xué)。 估算值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)修改后應(yīng)用于設(shè)計(jì)。 如果感覺經(jīng)驗(yàn)不足，則應(yīng)先保守，然后根據(jù)制造成本進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。 電路板設(shè)計(jì)者和電路板加工者解釋電路板布線寬度變化引起的反射。