不規則電路設計對輻射與阻抗的影響

前言

最近幾年電路板非常流行所謂的「meander」導線(xiàn)，然而這種不規則(zigzag)導線(xiàn)隨著(zhù)clock頻率不斷提高，設計人員也意識到必需使導線(xiàn)pattern盡可能完全相同。理論上從driver端至接收收端(receiver)直線(xiàn)距離有可能完全相同 ，不過(guò)事實(shí)上當兩者之間的距離越來(lái)越長(cháng)時(shí)，導線(xiàn)pattern勢必成為不規則形狀，有鑒于此本文將透過(guò)實(shí)驗結果，深入探討直線(xiàn)狀與不規則狀的pattern差異對電路的影響。

實(shí)驗步驟

圖1是實(shí)驗用印刷電路板的外觀(guān)，阻抗(impedance) Zo為50Ω，共有A～G 7種線(xiàn)路圖案(pattern)( 圖2)，pattern長(cháng)度都是290mm，由于不規則layout因此pattern長(cháng)度被壓縮成150mm，如圖3所示電路圖案都無(wú)直角彎曲設計。四層電路板為四層板總厚度1.6mm，第一層裝設電子組件，第二至第四層分別是接地層(earth)、Vcc層與電路圖(圖4)，輻射資料是根據3米(meter)法則水平放置電路板量測水平偏波。

圖1 電路板的外觀(guān)

圖2 7種線(xiàn)路pattern對特性阻抗的影響

圖3 線(xiàn)路圖案彎曲與特性阻抗 Zo 的變化

圖4 實(shí)驗用電路

圖5是上述實(shí)驗所獲得的輻射資料。如圖所示7種線(xiàn)路圖案都有長(cháng)70mm的直線(xiàn)部分，E與G的線(xiàn)路圖案的頻率為650～850MHz，直線(xiàn)部分長(cháng)度為130 mm的；D與F的線(xiàn)路圖案有頻率為350～450MHz，具有較多的輻射。
若將電路板的誘電率ε列入考慮，并且假設電路板上的光速為 時(shí):
650 MHz的波長(cháng)λ＝277mm，λ/4＝70mm
650 MHz的波長(cháng)λ＝514mm，λ/4＝130mm
依此就可推論「線(xiàn)路圖案直線(xiàn)部分」與「造成輻射最大值的波長(cháng)」兩者的關(guān)連性，也就是說(shuō)線(xiàn)路圖案直線(xiàn)部分長(cháng)度較短的A、B、C三線(xiàn)路圖案的輻射較低，相形之下D、E、F的輻射比較大；凹凸集中的D、E、F的輻射比凹凸分散的A、B、C大，G則無(wú)法納入檢討范圍。

圖5 7種線(xiàn)路圖案產(chǎn)生的輻射

　　上述實(shí)驗用印刷電路板的阻抗Zo 是利用圖6的理論計算公式所獲得的計算結果，為了量測類(lèi)似MHz等級電路板實(shí)際動(dòng)作時(shí)阻抗值，因此利用圖7所示TDR(Time Domain Refrectometer)量測器檢測電路板的阻抗。TDR的動(dòng)作原理是捕捉電波或是超音波撞擊物體后反彈的信號(echo)再將時(shí)差強弱圖像畫(huà)，依此量測結果如圖8所示。由圖可歸納下列三項結論:
(1).編號G的線(xiàn)路圖案除外，其它線(xiàn)路圖案的阻值Zo 并無(wú)明顯差異。
(2).編號C、D的線(xiàn)路圖案，輸入端子正后方如果有凹凸時(shí)，其附近的阻值Zo 很高。
(3).編號G的線(xiàn)路圖案特性極差。
必需注意的是包含編號G的線(xiàn)路圖案再內，線(xiàn)路圖案的「物理長(cháng)度」物理長(cháng)度皆為290mm

圖6 板上的線(xiàn)路圖案種類(lèi)電路
　

圖7 電路板的線(xiàn)路圖案特性阻抗量測系統

圖8 7種線(xiàn)路圖案利用TDR量測的特性阻抗值

相較之下「電氣長(cháng)度」亦即330－152＝178mm幾乎成一定值。由以上結論出現下列兩個(gè)疑問(wèn):
(1).一般都認為「電氣長(cháng)度」與「物理長(cháng)度」，可是線(xiàn)路圖案彎曲次數亦即凹凸次數與長(cháng)度的關(guān)系為何？
(2).半導體廠(chǎng)商對阻值Zo 的誤差量一般都設為±10%，上述實(shí)驗證明事實(shí)上誤差量可低于±5%，不過(guò)半導體廠(chǎng)商將來(lái)要如何定義輸入阻值？
有關(guān)第(1)項的質(zhì)疑例如圖8所示線(xiàn)路不規則為 ，圖案全長(cháng)為L(cháng)時(shí):
L＝
的關(guān)系會(huì )成立，式中的亦即信號行進(jìn)橫向合計尺寸與線(xiàn)路不規則n無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)必需抑制L的，如此一來(lái)為了增加 必需減少 ，因此圖9的線(xiàn)路不規則次數越多，圖案的 必需設法使它變得更小，然而圖8的不規則線(xiàn)路卻未發(fā)生L阻抗成份，且圖的信號未依照 路徑行進(jìn)，卻由 路徑行進(jìn)，主要原因由如圖10的說(shuō)明便可獲得合理的解釋。