PCB科普：為啥PCB走線時(shí)最好不要出現(xiàn)銳角和直角？

射頻、高速數(shù)字電路：禁止銳角、盡量避免直角

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

銳角、直角走線

銳角走線一般布線時(shí)我們禁止出現(xiàn)，直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，那么直角走線究竟會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生多大的影響呢?

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

線寬變化導(dǎo)致阻抗變化

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

我們走線的時(shí)候，如果線寬發(fā)生變化，則會(huì)導(dǎo)致走線阻抗變化。

微帶線(microstrip line)

•它由一根帶狀導(dǎo)線與地平面構(gòu)成，中間是電介質(zhì)。如果電介質(zhì)的介電常數(shù)、線的寬度、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(nèi)。

帶狀線(stripline)

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

阻抗不連續(xù)就會(huì)反射

銳角最差，直角次之，鈍角再次之，圓角再次之，直線最好。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)射一個(gè)信號(hào)進(jìn)入傳輸線時(shí)，信號(hào)的幅值取決于電壓、緩沖器的內(nèi)阻和傳輸線的阻抗。驅(qū)動(dòng)器端看到的初始電壓決定于內(nèi)阻和線阻抗的分壓。

反射系數(shù)

ƒ其中-1≤ρ≤1

當(dāng)ρ=0時(shí)無(wú)反射發(fā)生

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

當(dāng)ρ=-1(Z 2 =0，短路)時(shí)發(fā)生全負(fù)反射

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

Vinitial=1.33V

后續(xù)的反射率按照反射系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算

源端的反射率，是根據(jù)源端阻抗(25歐姆)和傳輸線阻抗(50歐姆)根據(jù)反射系數(shù)公式計(jì)算為-0.33;

終端的反射率，是根據(jù)終端阻抗(無(wú)窮大)和傳輸線阻抗(50歐姆)根據(jù)反射系數(shù)公式計(jì)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(hào)完整性不好的原因。

由于連接的存在、器件管腳、走線寬度變化、走線拐彎、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?

直角走線的對(duì)信號(hào)的影響就是主要體現(xiàn)在三個(gè)方面

一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時(shí)間;

二是阻抗不連續(xù)會(huì)造成信號(hào)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(yīng)該對(duì)于目前的PCB加工工藝來(lái)說(shuō)不是什么困難，不作為理由。

傳輸線的直角帶來(lái)的寄生電容可以由下面這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)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指走線的寬度(單位：inch)，εr指介質(zhì)的介電常數(shù)，Z0就是傳輸線的特征阻抗。

舉個(gè)例子，對(duì)于一個(gè)4Mils的50歐姆傳輸線(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(jì)算可以看出，直角走線帶來(lái)的電容效應(yīng)是極其微小的。

由于直角走線的線寬增加，該處的阻抗將減小，于是會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)反射現(xiàn)象，我們可以根據(jù)傳輸線章節(jié)中提到的阻抗計(jì)算公式來(lái)算出線寬增加后的等效阻抗，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算反射系數(shù)：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)，一般直角走線導(dǎo)致的阻抗變化在7%-20%之間，因而反射系數(shù)最大為0.1左右。而且，從下圖可以看到，在W/2線長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)傳輸線阻抗變化到最小，再經(jīng)過(guò)W/2時(shí)間又恢復(fù)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(nèi)，這樣快而且微小的變化對(duì)一般的信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)幾乎是可以忽略的。[!--empirenews.page--]

很多人對(duì)直角走線都有這樣的理解，認(rèn)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(rèn)為不能直角走線的理由之一。然而很多實(shí)際測(cè)試的結(jié)果顯示，直角走線并不會(huì)比直線產(chǎn)生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能，測(cè)試水平制約了測(cè)試的精確性，但至少說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，直角走線的輻射已經(jīng)小于儀器本身的測(cè)量誤差。

總的說(shuō)來(lái)，直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在非射頻及高速電路的應(yīng)用中，其產(chǎn)生的任何諸如電容，反射，EMI等效應(yīng)在TDR測(cè)試中幾乎體現(xiàn)不出來(lái)，高速PCB設(shè)計(jì)工程師的重點(diǎn)還是應(yīng)該放在布局，電源/地設(shè)計(jì)，走線設(shè)計(jì)，過(guò)孔等其他方面。當(dāng)然，盡管直角走線帶來(lái)的影響不是很?chē)?yán)重，但并不是說(shuō)我們以后都可以走直角線，注意細(xì)節(jié)是每個(gè)優(yōu)秀工程師必備的基本素質(zhì)，而且，隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展，PCB工程師處理的信號(hào)頻率也會(huì)不斷提高，到10GHz以上的RF設(shè)計(jì)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(duì)象。