实验传输线布线不连续的效应.doc

實驗五 傳輸線佈線不連續的效應 原理說明 當訊號的速度越來越快、印刷電路板的層數越來越多及其上的佈線越來越複雜時，各種佈線方式所引起的雜散效應就必須慎重考慮而不可忽視，尤其是高速電路，否則將嚴重影響訊號的品質(signal integrity)。本實驗將探討四種佈線常發生的不連續現象，即佈線寬度不連續、直角彎曲佈線、分歧佈線及板層穿孔等所引起雜散電容或電感效應。 (一) 佈線寬度不連續(trace-width discontinuity)：從實驗三知道只要傳輸線的佈線寬度不同則其特性阻抗就不同，因此阻抗就會不匹配。阻抗不匹配就會有反射現象發生，訊號反射會造成振鈴現象進而使訊號發生過激(overshoot)及欠激(undershoot)，導至降低雜訊免疫準位(noise margin)或增加訊號的建立時間(settling time)，嚴重的話會使得訊號變形(distortion)造成電路發生錯誤動作，因此必須了解佈線寬度不連續對電路的影響程度為何？傳輸線的特性阻抗Zo=(L/C)1/2，佈線越細則其阻抗越大，表示電感效應越大。反之，佈線越寬則其阻抗越小，表示電容效應越大。因此由細變寬的佈線可視為是一個等效電容(equivalent capacitance)的存在，而由寬變細的佈線可視為是一個等效電感(equivalent inductance)的存在。圖5.1(a)及(b)分別為佈線寬度由細變寬的示意圖及等效電路圖，電容值C可由經驗公式(5-1)計算得 出，必須注意應用此公式只有在滿足(r 10及1.5w2/w13.5時誤差才會比較小。 圖5.2(a)及(b)分別為佈線寬度由寬變細的示意圖及等效電路圖，電感值L可由經驗公式(5-2)計算得知。 (二) 直角彎曲佈線(right-angle bends)：直角彎曲佈線在印刷電路板上是非常普遍的事情，但是彎曲佈線會造成佈線不連續(即佈線寬度不同)，特性阻抗(characteristic impedance)會改變因而產生訊號反射的現象，可能引起訊號失真或變形。因為直角彎曲佈線在彎腳處其佈線寬度將比直線寬度為寬，如圖5.3所示，這也將引起電荷累積造成具有雜散電容效應，其近似公式為 其中C為直角彎曲佈線的近似電容值，w為線寬，(r為印刷電路板的相對介電係數，Zo為佈線的特性阻抗。 因此電容效應造成之訊號上升時間減緩大小為 雖然此值不大但是若訊號上升時間小於100ps時就不可忽略。若要消除此電容可使用削角方式將變寬的部分削掉，如圖5.4所示，可有效的消除電容而改善訊號的反射現象，必須小心注意削掉的距離，削的太多或太少都會影響訊號的反射，最佳位置約在0.57w時具有最小的反射。事實上亦可使用圓弧佈線或是135度角彎曲佈線來改善佈線不連續的現象。彎曲佈線除了會產生訊號反射外，若佈線長度夠長的話也會引發電磁干擾輻射(EMI)的現象，這是必須注意的。 (三) 分歧(stubs)：在電路設計上常常會一個驅動端驅動好幾個接收端，這時就需要分歧佈線。只要有分歧就會造成斷點而產生反射現象，要達到阻抗匹配並不容易，例如一條75(傳輸線要驅動4個輸入端，若要阻抗匹配則4個輸入端佈線阻抗為300(，這傳輸線太細將無法洗出來，因此一般佈線會盡量避免分歧，而以菊鏈法(daisy chain)方式來處理分歧佈線如圖5.5所示，盡量避免分歧點訊號反射的發生，這種佈線法適合於位址或資料匯流排配合並連終端技術的應用。 圖5.6為樹狀(tree)分歧佈線，它所造成的反射量最大且會有負載效應及振鈴現象發生，是最不好的佈線方式，要盡量避免之。 圖5.7為星狀(tree)分歧佈線，必須配合串連終端技術使用並且驅動端最好是低輸出阻抗和具有大的驅動電流。(四)穿孔(vias)：目前各種應用電路日趨複雜，使用印刷電路板的層數也相對的增加，各板層之間的連線必須靠穿孔(via)來連接，很小的穿孔面積可以節省佈線面積但會導致良率降低而增加製作成本，太大的穿孔面積製作上容易但是會減少可佈線的面積而導至電路佈線密度降低，因此適當的選擇穿孔大小是很重要的。然而隨著電路工作頻率的增加，穿孔對高速訊號所產生的效應也越來越重要，一般穿孔會產生電容及電感的雜散效應，以下針對這兩個效應說明如下: 穿孔的電容雜散效應 在印刷電路板上每一個穿孔都會對地形成一個雜散電容，這個電容對訊號的影響是會減緩高速訊號的上升時間(rise time)，也就是說可能會降低訊號的反應速度，因而降低工作頻率。另外因為穿孔也造成訊號不連續，會加強訊號反射的現象。一般而言穿孔都是蠻小的，所以其等效電路可以視為是一個集總元件(lumped circuit element)，電容值的大小則可根據穿孔的