高频电路板布线设计准则讲义(一)_图文

1、台達電子訓練課程 講師: 丘韻奇920926 星期五0900 1200 , 1300 1600 920927 星期六0900 1200 , 1300 1600講課大綱0 前言p01 高頻的定義p42 阻抗設計與量測p103 反射和終端技術p314 去藕合電容p585 串音機制及其抑制p696 電磁匹配p917 埋入式被勳元件之設計p1178 散熱p1409 參考文獻p1630。前言們對於電子裝置的需求是快,還要更快。好,還要更好。為了滿足類的慾望所有產品使用的速率是愈來愈高了。在電子產品來說運用的頻率是不斷的往昇! 圖0 1 速率的躍進為了也能夠滿足輕、薄、短、小的目標,電子產品也是愈做愈小。

2、尤其是電子元件的包裝更是朝微小化的方向邁進。當然印刷電路板的密度也相對的要提高。銅箔線的線寬也從以往的8mil 到5mil ,4mil 以至3mil 。甚至3mil 以的需求也有提到。這就是在1997年提出的HDI(High Density Interconnection;電路板要做到細線小孔(fine line , small hole 5 6 mil的程度。細線是指2 3 mil 的線寬。小孔(micro-via 是指孔徑平均在6mil(0.15nm以者。成孔法有CO2雷射、YAG 雷射、感光、電漿、等各種方法。但目前量產之增層手機板,絕大多數均採CO2雷射成孔。 為了滿足細線小孔的要求

3、增層法(built up製程就因應而生了。圖 0 2 增層法(built up的圖示12345678FR-4 PCB 12l a y e r s>>>8l a y e r s .面積可減至60% .表說明了傳統電路板製程和HDI的差異傳統的含有盲孔的微孔HDI電路板電路板電路板面積(cm2 116 69 29重量(gm 36 21 2密度(cm/cm2 23.6 30 47線寬線距(cm 0.013 0.013 0.008(mil 5 5 3孔徑(cm 0.07 0.07 0.02(mil27 27 6印刷電路板電子元件運作的頻率愈來愈高,佈線的密度也在提昇(線寬變細、間距變

4、小 ,因而訊號的傳輸和雜訊的干擾就會生成。這些都必需要有適當的處置。以就是在如此高頻、高密度狀況,印刷電路板的佈線設計時要注意的準則。1.高頻的定義相當高的頻率當然是高頻。30M?50M?100M ?不過數位訊號high、low之間快速的變動會引起許多高頻的諧波。當這些高頻諧波的振幅大到會影響其他訊號時就產生了干擾的議題。假設如圖的方波重要的參數是週期、振幅、工作週期、昇時間和降時間。昇時間是由振幅1O%到9O%所需要的時間。降時間. 圖1-1 個方波的細部利用Fourier 轉換可以將橫軸的時間轉變為頻率由轉換後的結果可以看到除了主要頻率以外又出現了許多頻率較高的部分。這就是所謂的高頻諧波。

5、這些諧波和昇時間有關,愈小的昇時間會造成愈高頻的諧波。 圖1-2 個方波的Fourier 轉換 圖1-3 Fourier 轉換後頻率之分佈假設Tr (ns rise time ,f=(GHz = 0.35/Tr*f=Vp ,Vp = C/r ,r=4.7 for FR4當數位電路的導線長大於1/7 時就應該看成高頻訊號trans mission line來處理。類比電路的導線長大於1/15 時就應該看成高頻訊號trans mission line來處理。表顯示了在m i c r o-s t r i p佈線結構,不同的升時間和其應注意之線長。在m i c r o-s t r i p佈線結構時表告

6、訴你不同邏輯族和非傳輸線的最大長度邏輯族升時間非傳輸線的最大長度(micro-strip Lmax=9*升時間74Lxxx 31ns279c m (110 inch74Cxxx25ns225 c m (88.5 inch74HCxxx13ns117c m (46 inch74xxx10ns90 c m (35.5 inch74LSxxx9ns85.5 c m (34 inch74HCTxxx5ns45 c m (18 inch74Hxxx4ns36 c m (14 inch74Sxxx3ns27 c m (10.5 inch74ALSxxx2ns18 c m (7 inch74ACTxxxEC

7、 L 10KBTL 1.0ns9c m (3.5 inchEC L100K0.75ns6c m (2.4 inchLVDS0.3 2.7c m (1.1 inchGTL+GaAs1-1另種評估訊號在電路板某點傳輸到另外點所需要的時間是t p=l /v p當訊號的昇時間遠小於傳輸時間時傳輸線(trans mission line的效應就顯現出來了。依照般經驗來說遇到t r < 2.5 t p就要考慮傳輸線(trans mission line的效應了。如果t r >5 t p 時就不需要考慮傳輸線(trans mission line的效應。至於 2.5 t p < t r &

8、lt; 5 t p 就看需求來決定了。以的數列可以參考;假設r為4,光速為3*108m/sec則訊號的速度就是v = C / r = 15 c m / nsec昇時間t r(psec 關鍵線長l crit=vp t r/2.5(c m50 0.3100 0.6250 1.5500 3.0750 4.51000 6電子零件在高頻反應的和低頻時大有不同。 電子訊號在高頻的環境運作時有許多特殊的現象。例如會因阻抗不匹配而造成訊號的衰減反射扭曲訊號佈線不恰當也會造成彼此之間的干擾這些等等我們統稱是發生了電磁干擾所以我們在做佈線工作時應該盡量避免訊號進入高頻範圍具體的做法是在可能的情況盡量使用細小的零件

9、System on chip使整個電路板縮小embedded passive component當無法避免的要進入高頻範圍內工作時佈線就要注意許多因素了 圖1-4高頻佈線流程2。特性阻抗電氣訊號在不同的介質傳輸時,會有反射、衰減等現象。這些都是因為介質的不同特性阻抗引起的。2.1特性阻抗(character impedance電流流經任何物質時都會碰到其特有的阻抗。決定這特性阻抗的因素有、介電系數和佈線的方式、線寬和電路板內層與層之間的厚度。般來說在電路板的佈線方法大約有列種;相對的特性阻抗就如公式; 圖2 - 1 micro-strip topology圖 2 - 1的佈線方式就是micro

10、-strip;在個大銅面,有條銅箔線。這種佈線方式的特性阻抗可以用以公式計算出; 其 E r 為電路板的介電系數,電路板材料為FR4時,其值是 4.4 4.7H;電路板內層與層之間的厚度W;銅箔線的寬度T;銅箔線的厚度使用1英兩銅時 T = 0.00014英吋使用1/2英兩銅時 T = 0.00007英吋 圖 2 - 2embedded micro-strip topology圖 2 - 2的佈線方式就是embedded micro-strip;在個大銅面,有條銅箔線,在銅箔線又有層絕緣物質。這種佈線方式的特性阻抗可以用圖 3 - 2內公式計算出。 圖 2 - 3single strip-li

11、ne topology圖 3 - 3的佈線方式就是single strip-line;在兩個大銅面間,有條銅箔線。這種佈線方式的特性阻抗可以用以的公式計算出。 圖 2 - 4dual strip-line topology圖 2 -4的佈線方式就是dual strip-line;在兩個大銅面間,有兩條銅箔線。這種佈線方式的特性阻抗可以用以的公式計算出。 2.2 Ra mb usCPU 的運作頻率增加快速,而記憶體和其存取的速度就明顯的落後。CPU 66 100 300 500 700RAM EDO PC100 PC133 PC266Rambus Inc. 就是為了大 幅提昇存取速度而開發出來新

12、規格;RambusChannel memoryarchitecture存取速度達到400 Mhz在如此高速狀況,佈線時就要考慮以因素;*整片電路板的阻抗匹配*實際佈線的狀況( topology *傳輸訊號的品質*時序和同步等等. Rambus的阻抗值需求是28 Ohm +/- 10% 。般電路板的阻抗是65 Ohm +/- 15%。影響電路板特性阻抗的因素有;介電係數+/- 5% (0.2 1Ghz 線寬+/- 3% (0.5mil電路板材質的厚度+/- 10% (0.4mil電鍍層的厚度止銲膜的厚度 圖 2 - 5 Rambus 的架構調整相關參數,就可以得到需要的阻抗值。 圖2 - 6 R

13、ambus的佈線方式 圖 2 - 7 Rambus的另種佈線方式2-3設計特性阻抗的工具 2-3-1 2-4 特性阻抗的測量佈線設計者依據系統需求,設計出需要的特性阻抗。電路板的製造者也忠實按照藍圖做出電路板。最後也是最關鍵的步驟就是如何確認做出來的阻抗值就是需要的阻抗值?所以我們就會要用到某種儀器來測量。這儀器就是TDR (Time Domain Reflectometry 它是由個步階產生器(step generator和示波器(oscilloscope組成。 The Agilent 86100A is capable of performing TDR measurements with

14、 the 54753A single-ended and 54754A differential TDR modules. It is also forward compatible with other modules used in the 83480A and 54750A digitizing oscilloscopes.The Agilent 54754A provides two 18-GHz channels that have built-in TDR step generators. The two channels may work in tandem to provide differential and common mode2.5傳輸線的模型傳輸線的模型可以用連串的電阻、電容和電感組成。參看圖 圖 3-8 傳輸線的模型在某位置的電壓和電流可以用以公式說明 所以阻抗就是 反射係數的定義是反射電壓和入射電壓的比值 2-6 TDR的測試原理套TDR儀器的方塊圖就如同圖所示 以圖示說明了不同的負載示波器螢光幕顯示的狀