PCB科普：為啥PCB走線(xiàn)時(shí)最好不要出現銳角和直角？

　　射頻、高速數字電路：禁止銳角、盡量避免直角

　　如果是射頻線(xiàn)，在轉角的地方如果是直角，則有不連續性，而不連續性將易導致高次模的產(chǎn)生，對輻射和傳導性能都有影響。RF信號線(xiàn)如果走直角，拐角處的有效線(xiàn)寬會(huì )增大，阻抗不連續，引起信號反射。為了減小不連續性，要對拐角進(jìn)行處理，有兩種方法：切角和圓角。圓弧角的半徑應足夠大，一般來(lái)說(shuō)，要保證：R>3W。

　　銳角、直角走線(xiàn)

　　銳角走線(xiàn)一般布線(xiàn)時(shí)我們禁止出現，直角走線(xiàn)一般是PCB布線(xiàn)中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線(xiàn)好壞的標準之一，那么直角走線(xiàn)究竟會(huì )對信號傳輸產(chǎn)生多大的影響呢?

　　從原理上說(shuō)，銳角、直角走線(xiàn)會(huì )使傳輸線(xiàn)的線(xiàn)寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續。

　　線(xiàn)寬變化導致阻抗變化

　　當走線(xiàn)的等效寬度變化的時(shí)候，會(huì )造成信號的反射。我們可以看到：

　　我們走線(xiàn)的時(shí)候，如果線(xiàn)寬發(fā)生變化，則會(huì )導致走線(xiàn)阻抗變化。

　　微帶線(xiàn)(microstrip line)

　　•它由一根帶狀導線(xiàn)與地平面構成，中間是電介質(zhì)。如果電介質(zhì)的介電常數、線(xiàn)的寬度、及其與地平面的距離是可控的，則它的特性阻抗也是可控的，其精確度將在±5%之內。

　　帶狀線(xiàn)(stripline)

　　帶狀線(xiàn)就是一條置于兩層導電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶。如果線(xiàn)的厚度和寬度，介質(zhì)的介電常數，以及兩層接地平面的距離都是可控的，則線(xiàn)的特性阻抗也是可控的，且精度在10%之內。

　　阻抗不連續就會(huì )反射

　　銳角最差，直角次之，鈍角再次之，圓角再次之，直線(xiàn)最好。

　　當驅動(dòng)器發(fā)射一個(gè)信號進(jìn)入傳輸線(xiàn)時(shí)，信號的幅值取決于電壓、緩沖器的內阻和傳輸線(xiàn)的阻抗。驅動(dòng)器端看到的初始電壓決定于內阻和線(xiàn)阻抗的分壓。

　　反射系數

　　?其中-1≤ρ≤1

　　當ρ=0時(shí)無(wú)反射發(fā)生

　　當ρ=1(Z 2 =∞，開(kāi)路)時(shí)發(fā)生全正反射

　　當ρ=-1(Z 2 =0，短路)時(shí)發(fā)生全負反射

　　初始電壓，是源電壓Vs(2V)經(jīng)過(guò)Zs(25歐姆)和傳輸線(xiàn)阻抗(50歐姆)分壓。

　　Vinitial=1.33V

　　后續的反射率按照反射系數公式進(jìn)行計算

　　源端的反射率，是根據源端阻抗(25歐姆)和傳輸線(xiàn)阻抗(50歐姆)根據反射系數公式計算為-0.33;

　　終端的反射率，是根據終端阻抗(無(wú)窮大)和傳輸線(xiàn)阻抗(50歐姆)根據反射系數公式計算為1;

　　我們按照每次反射的幅度和延時(shí)，在最初的脈沖波形上進(jìn)行疊加就得到了這個(gè)波形，這也就是為什么，阻抗不匹配造成信號完整性不好的原因。

　　由于連接的存在、器件管腳、走線(xiàn)寬度變化、走線(xiàn)拐彎、過(guò)孔會(huì )使得阻抗不得不變化。所以反射也就不可避免。

　　除了反射還有什么原因么?

　　直角走線(xiàn)的對信號的影響就是主要體現在三個(gè)方面

　　一是拐角可以等效為傳輸線(xiàn)上的容性負載，減緩上升時(shí)間;

　　二是阻抗不連續會(huì )造成信號的反射;

　　三是直角尖端產(chǎn)生的EMI。

　　四還有一種說(shuō)法：銳角會(huì )在生產(chǎn)過(guò)程中，造成生產(chǎn)有腐蝕物殘留，不易加工，應該對于目前的PCB加工工藝來(lái)說(shuō)不是什么困難，不作為理由。

　　傳輸線(xiàn)的直角帶來(lái)的寄生電容可以由下面這個(gè)經(jīng)驗公式來(lái)計算：

　　C=61W(Er)1/2/Z0

　　在上式中，C就是指拐角的等效電容(單位：pF)，W指走線(xiàn)的寬度(單位：inch)，εr指介質(zhì)的介電常數，Z0就是傳輸線(xiàn)的特征阻抗。

　　舉個(gè)例子，對于一個(gè)4Mils的50歐姆傳輸線(xiàn)(εr為4.3)來(lái)說(shuō)，一個(gè)直角帶來(lái)的電容量大概為0.0101pF，進(jìn)而可以估算由此引起的上升時(shí)間變化量：

　　T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps

　　通過(guò)計算可以看出，直角走線(xiàn)帶來(lái)的電容效應是極其微小的。

　　由于直角走線(xiàn)的線(xiàn)寬增加，該處的阻抗將減小，于是會(huì )產(chǎn)生一定的信號反射現象，我們可以根據傳輸線(xiàn)章節中提到的阻抗計算公式來(lái)算出線(xiàn)寬增加后的等效阻抗，然后根據經(jīng)驗公式計算反射系數：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)，一般直角走線(xiàn)導致的阻抗變化在7%-20%之間，因而反射系數最大為0.1左右。而且，從下圖可以看到，在W/2線(xiàn)長(cháng)的時(shí)間內傳輸線(xiàn)阻抗變化到最小，再經(jīng)過(guò)W/2時(shí)間又恢復到正常的阻抗，整個(gè)發(fā)生阻抗變化的時(shí)間極短，往往在10ps之內，這樣快而且微小的變化對一般的信號傳輸來(lái)說(shuō)幾乎是可以忽略的。

　　很多人對直角走線(xiàn)都有這樣的理解，認為尖端容易發(fā)射或接收電磁波，產(chǎn)生EMI，這也成為許多人認為不能直角走線(xiàn)的理由之一。然而很多實(shí)際測試的結果顯示，直角走線(xiàn)并不會(huì )比直線(xiàn)產(chǎn)生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能，測試水平制約了測試的精確性，但至少說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，直角走線(xiàn)的輻射已經(jīng)小于儀器本身的測量誤差。

　　總的說(shuō)來(lái)，直角走線(xiàn)并不是想象中的那么可怕。至少在非射頻及高速電路的應用中，其產(chǎn)生的任何諸如電容，反射，EMI等效應在TDR測試中幾乎體現不出來(lái)，高速PCB設計工程師的重點(diǎn)還是應該放在布局，電源/地設計，走線(xiàn)設計，過(guò)孔等其他方面。當然，盡管直角走線(xiàn)帶來(lái)的影響不是很?chē)乐?，但并不是說(shuō)我們以后都可以走直角線(xiàn)，注意細節是每個(gè)優(yōu)秀工程師必備的基本素質(zhì)，而且，隨著(zhù)數字電路的飛速發(fā)展，PCB工程師處理的信號頻率也會(huì )不斷提高，到10GHz以上的RF設計領(lǐng)域，這些小小的直角都可能成為高速問(wèn)題的重點(diǎn)對象。