PCB 走线中的信号速度

电器工程 电路板 传输线
2022-01-27 15:08:46

对于穿过 PCB 走线的信号,信号速度取决于什么?

根据维基百科,它完全取决于介质的相对介电常数 (ε_r)(嗯,它也取决于c,但那是一个常数),对于 PCB,介质的相对磁导率近似为 1。

我的问题是:信号速度不应该是传输线特性阻抗的函数吗?

我的思考过程是:如果我有一个宽度变化的走线,那么就会有一个特性阻抗变化,这会导致入射波的部分反射。但是任何地方都没有能量吸收,所以部分反射的唯一原因可能是波传播速度的变化,对吧?

根据维基百科信号速度页面中的方程,速度不会发生变化,因为介质相同,所以相对介电常数保持不变。

有人可以对此有所了解吗?

4个回答

上一个答案中给出的经验法则对于许多设计来说已经足够好了。但我想补充一个额外的想法。

速度因子基本上是传输线周围的电场穿过的材料的介电常数(\$\varepsilon_R\$\$D_k\$ )的平方根的倒数。

对于带状线,这意味着它本质上是电路板材料的介电常数。

但是对于微带线,它将是电路板材料的介电常数和周围材料(通常是空气)的平均值,由在每种介质中传播的电场的比例加权。

这意味着,如果您的设计同时具有微带线和带状线,则微带中的信号传输速度至少比带状线中的信号快一点。

正如评论中所指出的,值得一提的是,由于工作频率、温度变化和吸湿性等因素,PWB 材料的介电常数在使用中会有所不同。由于诸如迹线的回蚀和迹线相对于电介质中的玻璃纤维的对齐等因素,制造时间也可能存在变化。

如果我的走线宽度发生变化,那么特性阻抗就会发生变化,这会导致入射波的部分反射。但是任何地方都没有能量吸收,所以部分反射的唯一原因可能是波传播速度的变化,对吧?

不,这不符合。

如果特性阻抗不连续,那么对于输入信号和前向传播信号,您需要线路中不同的电流电压比。这意味着在两个几何形状相交的地方满足 KCL 和 KVL(或者,如果您想要更数学的解释,满足边界条件),必须生成反向行波。这样就可以使交界处进线的电流电压比与出线的电流电压比相匹配,宇宙就万事大吉了。

两条线上的传播速度差异(如果有的话)在这里并不重要。

如果将 PCB 走线视为无损传输线,则特性阻抗\$Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}\$但速度因子与\$\sqrt{L\cdot C成反比}\$(其中 L & C 是每单位长度)。

因此,在不改变特性阻抗的情况下,速度改变应该是可能的,但它需要两件事同时改变。

确实,如果您只改变电容(或介电常数),那么\$Z_0\$会与速度因子成比例地变化。更多内容请参阅 1965 年的这篇论文

电磁波在电介质中传播。理论上,传播速度取决于波在其中传播的电介质的相对介电常数和相对磁导率。对于所有实际材料,相对磁导率都是 1,所以通常我们忽略它,并说速度仅取决于电介质的介电常数。

公式为 V = C/sqrt(epsilon)

其中V是传播速度,C是真空中的光速,ε是相对介电常数。典型的电路板由称为 FR4 的玻璃纤维环氧树脂复合材料制成。

FR4 的相对介电常数约为 4,但这会随频率和温度而变化。

但是,对于外层上的走线,电介质部分是空气,部分是 FR4。因此,对于外层上的迹线,通常会计算一个有效介电常数,以试图平均两种不同电介质的影响。由于空气具有低得多的介电常数,因此外层信号比内层信号更快。根据经验,您可以说它们会快大约 15%。可以使用专门为此目的开发的公式进行详细计算。但是需要提供所有细节(走线宽度、厚度、到参考平面的距离、PCB 材料的精确介电常数等)。

对于内层走线,速度大约是自由空间速度的一半。如前所述,电路板的介电常数是温度和信号频率的函数。如果您想要非常准确,则必须从 FR4 供应商或电路板制造厂获得。

FR4 不是唯一的材料选择。还有其他的,有的专门用于高温,有的专门用于高频等。

外层走线通常被建模为微带传输线。内部走线被建模为带状线传输线。使用这些术语进行搜索可能有助于进一步的研究。

考虑一个 100 欧姆的走线。

现在与它并联另一个 100 欧姆的迹线。

您有一个 50 欧姆的迹线,其传播速度与任一原始迹线完全相同。