不規(guī)則電路設(shè)計(jì)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(dǎo)線，然而這種不規(guī)則(zigzag)導(dǎo)線隨著clock頻率不斷提高，設(shè)計(jì)人員也意識到必需使導(dǎo)線pattern盡可能完全相同。理論上從driver端至接收收端(receiver)直線距離有可能完全相同 ，不過事實(shí)上當(dāng)兩者之間的距離越來越長時(shí)，導(dǎo)線pattern勢必成為不規(guī)則形狀，有鑒于此本文將透過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，深入探討直線狀與不規(guī)則狀的pattern差異對電路的影響。

實(shí)驗(yàn)步驟

圖1是實(shí)驗(yàn)用印刷電路板的外觀，阻抗(impedance) Zo為50Ω，共有A～G 7種線路圖案(pattern)( 圖2)，pattern長度都是290mm，由于不規(guī)則layout因此pattern長度被壓縮成150mm，如圖3所示電路圖案都無直角彎曲設(shè)計(jì)。四層電路板為四層板總厚度1.6mm，第一層裝設(shè)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(jù)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

圖2 7種線路pattern對特性阻抗的影響

圖3 線路圖案彎曲與特性阻抗 Zo 的變化

圖4 實(shí)驗(yàn)用電路

圖5是上述實(shí)驗(yàn)所獲得的輻射資料。如圖所示7種線路圖案都有長70mm的直線部分，E與G的線路圖案的頻率為650～850MHz，直線部分長度為130 mm的；D與F的線路圖案有頻率為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(shè)電路板上的光速為 時(shí):
650 MHz的波長λ＝277mm，λ/4＝70mm
650 MHz的波長λ＝514mm，λ/4＝130mm
依此就可推論「線路圖案直線部分」與「造成輻射最大值的波長」兩者的關(guān)連性，也就是說線路圖案直線部分長度較短的A、B、C三線路圖案的輻射較低，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則無法納入檢討范圍。

圖5 7種線路圖案產(chǎn)生的輻射

　　上述實(shí)驗(yàn)用印刷電路板的阻抗Zo 是利用圖6的理論計(jì)算公式所獲得的計(jì)算結(jié)果，為了量測類似MHz等級電路板實(shí)際動作時(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(qiáng)弱圖像畫，依此量測結(jié)果如圖8所示。由圖可歸納下列三項(xiàng)結(jié)論:
(1).編號G的線路圖案除外，其它線路圖案的阻值Zo 并無明顯差異。
(2).編號C、D的線路圖案，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的線路圖案特性極差。
必需注意的是包含編號G的線路圖案再內(nèi)，線路圖案的「物理長度」物理長度皆為290mm

圖6 板上的線路圖案種類電路
　

圖7 電路板的線路圖案特性阻抗量測系統(tǒng)

圖8 7種線路圖案利用TDR量測的特性阻抗值

相較之下「電氣長度」亦即330－152＝178mm幾乎成一定值。由以上結(jié)論出現(xiàn)下列兩個(gè)疑問:
(1).一般都認(rèn)為「電氣長度」與「物理長度」，可是線路圖案彎曲次數(shù)亦即凹凸次數(shù)與長度的關(guān)系為何？
(2).半導(dǎo)體廠商對阻值Zo 的誤差量一般都設(shè)為±10%，上述實(shí)驗(yàn)證明事實(shí)上誤差量可低于±5%，不過半導(dǎo)體廠商將來要如何定義輸入阻值？
有關(guān)第(1)項(xiàng)的質(zhì)疑例如圖8所示線路不規(guī)則為 ，圖案全長為L時(shí):
L＝
的關(guān)系會成立，式中的亦即信號行進(jìn)橫向合計(jì)尺寸與線路不規(guī)則n無關(guān)，也就是說必需抑制L的，如此一來為了增加 必需減少 ，因此圖9的線路不規(guī)則次數(shù)越多，圖案的 必需設(shè)法使它變得更小，然而圖8的不規(guī)則線路卻未發(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的說明便可獲得合理的解釋。