微带线和带状线设计

人们撰写了大量文章来阐述如何端接PCB走线特性阻抗以避免信号反射。但是，妥善运用传输线路技术的时机尚未说清楚。

下面总结了针对逻辑信号的一条成熟的适用性指导方针。

当PCB走线单向传播延时等于或大于施加信号上升/下降时间(以最快边沿为准)时端接传输线路特性阻抗。

更保守的规则是使用2英寸(PCB走线长度)/纳秒(上升/下降时间)规则。如果信号走线超过此走线长度/速度准则，则应使用端接。

例如，如果高速逻辑上升/下降时间为5 ns，PCB走线等于或大于10英寸(其中测量长度包括曲折线)，就应端接其特性阻抗。

在模拟域内，必须注意，运算放大器和其他电路也应同样适用这条2英寸/纳秒指导方针，以确定是否需要传输线路技术。例如，如果放大器必须输出最大频率f_max，则等效上升时间t_r和这个f_max相关。这个限制上升时间t_r可计算如下：

t_r=0.35/f_max    等式1

然后将t_r乘以2英寸/纳秒来计算最大PCB走线长度。例如，最大频率100 MHz对应于3.5 ns的上升时间，所以载送此信号的7英寸或以上走线应视为传输线路。

PCB板上受控阻抗走线的设计

在受控阻抗设计中，可以采用多种走线几何形状，既可与PCB布局图合二为一，也可与其相结合。在下面的讨论中，基本模式遵循IPC标准2141A的规定(见参考文献1)。

请注意，下面的图示中将使用术语"接地层"。需要了解的是，该接地层实际上是一个大面积、低阻抗的参考层。在实践中，可能是一个接地层或电源层，假定二者的交流电位均为零。

首先是简单的平面上布线形式的传输线路，也称微带线。图1所示为横截面视图。这类传输线路可能是实验板中使用的信号线。其构成非常简单，一条分立的绝缘线以固定间距分布于接地层上。介电质既可能是线材的绝缘层，也可能是该绝缘层与空气的结合体。

图1：一种阻抗既定的微带线传输线路由一条分布于接地层的绝缘线形成

该线路的阻抗(单位：欧姆)可以用等式2估算。其中，D为导体直径，H为线材在接地层上的间距，­ε_r为介电常数。

等式2

对于与PCB相融合的图形，有多种几何模型可供选择，分为单端和差分两类。这些在IPC标准2141A(见参考文献1)中有详细说明，这里对两个常见示例略加说明。

在开始进行任何基于PCB传输线路设计时，必须知道，有大量的等式都声称适用于此类设计。此时，一个极其重要的问题就是，"哪些等式是精确的呢？"不幸的是，没有一个等式是完全精确的！所有现有等式都是近似值，因而，其精度不尽相同，取决于具体情况。最知名也是引用最多的是参考文献1中给出的等式，但是，即使这些等式也存在一些应用问题。

参考文献2针对不同几何图形，在试验PCB样品上对参考文献1中的等式进行了评估。结果发现，预测精度因目标阻抗而异。下面引述的等式均来自参考文献1，这里只是作为设计的起点，实际设计时，还需要进一步的分析、测试和进行设计验证。原则就是，要仔细研究，谨慎面对PCB走线阻抗等式。

微带线PCB传输线路

对于其中一面为接地层的简单双面PCB设计，可以在另一面设计一条信号走线以控制阻抗。这种几何图形被称为表面微带，简称微带。

图2中的双层PCB横截面视图展示了这种微带几何图形。

图2：一种阻抗既定微带传输线路由一条分布于接地层、采用适当几何图形的PCB走线形成

对于给定的PCB基板和铜重量，需要注意的是，W(信号走线宽度)以外的所有参数都是事先确定的。因而，可用等式3来设计一种PCB走线，以匹配电路要求的阻抗。若信号走线宽W、厚T，且由介电常数为­­ε_r的PCB电介质以距离H与接地层(或电源层)相分离，则其特性阻抗为：

等式3

请注意，在这些表达式中，测量值均为常用单位(mil)。

这些传输线路不但有特性阻抗，也有特性电容。其计算单位为pF/in，如等式4所示。

等式4

作为包括这些计算的示例，一块双层板可能用20 mil宽(W)、1盎司(T=1.4)的铜走线，并由10 mil (H) FR-4 (­­ε_r= 4.0)的介电材料分离。结果，该微带线的阻抗为50 Ω左右。对于其他标准阻抗(如75Ω的视频标准阻抗)，使"W"调整为8.3 mil左右即可。

微带线设计的一些指导原则

本例涉及到一个有趣且微妙的要点。参考文献2讨论了与微带PCB阻抗相关的有用指导原则。若介电常数为4.0 (FR-4)，结果显示，当W/H为2/1时，阻抗将接近50Ω­(与第一个示例类似，其中，W = 20 mil)。

仔细的读者会发现，根据等式3预测，Z_o应为46Ω­左右，与参考文献2提到的精度(>5%)相吻合。IPC微带线等式在50Ω­与100 ­Ω之间最精确，但当阻抗低于或超过该范围时，其精度则大幅下降。