PCB走线电阻和电抗会降低产品性能
理想的指挥是历史。如果你不相信，你的设计可能是吐司。从dc到千兆赫频率范围，pcb走线电阻和电抗会降低产品性能。精确测量走线阻抗可以帮助您确定电路无法达到最佳性能的原因。
问题始于直流测量。对于直流测量，您无需关心电抗，但即使pcb走线显示的低电阻电平也会引入误差。考虑图1a中的铜迹线，显示0.45 mw/平方电阻(图1b)。该迹线表现出大约0.18-w的电阻。 1 如果它向具有5kw输入阻抗的16位adc传输模拟信号，它将贡献一个单位误差为0.18/5k = 3.6×10 - 5 。这大约等于2x2 - 16 ，表示走线电阻会给adc的输出带来2-lsb误差。
你可以在最低电阻范围内使用标准dmm测量该幅度的电阻。只需将dmm的测试引线夹在一起即可测量其电阻;一些数字万用表将自动自动清零。 2 一个四位数的仪表，50-w刻度将提供0.01-& w& p分辨率，虽然精度低于1 w价值将受到影响。
图1。(a)此处描述的10 cm长的pcb走线对包含它的电路贡献0.18 w 。 pcb迹线材料的电阻通常表示为欧姆/平方。 (a)部分的轨迹由400个0.25x0.25毫米的方块组成，端对端设置;每个方块的电阻为0.18w/400平方或0.45mw/平方。 (b)您可以将方块组合成任何较大的方块并保持相同的阻力。
开尔文双桥
准确测量这种小电阻的传统方法是使用开尔文双桥 3 (图2a)。对于r a /r c = r b /r d ，当被测电阻器r x ，等于标准校准电阻，r s ，乘以r a /r b 。标记为r x(lead)的电阻表示与r x串联的测试引线或pcb走线电阻您要从r x 的测量值中排除。 r l 构成来自r b 和r d 与检流计相对。
首先用开关sw测量r x l 已关闭。在平衡桥之后打开sw l (即，在调整r s 之后使得检流计读数0)用作检查r a 到r d 的值。如果当您打开开关时检流计偏离0，那么r a /r c 比率不再等于r b /r d ，您需要重新校准桥接器或测量值不准确。
请注意，双桥执行四线测量：探头p f1 和p f2 用作强制导线，将电流输送到r x ;探针p s1 和p s2 用作传感线，测量r上产生的电压 x 以响应应用于它的电流。首先，键是应用传感线，使得它们仅测量被测电阻两端的电压，其次是最小化通过它们的电流。对于电阻器r a 到r b 具有1kw的值，开尔文双桥可以测量电阻从1μw到10w。如果用交流电源 f 代替图1所示的电池，则可以测量无功阻抗，其中电容器的阻抗(欧姆)等于-j/( 2pfc)和电感器的阻抗(欧姆)等于j2pl。
修补古典的开尔文双桥是一个繁琐的过程 - 你必须通过r a sub“> d 值并找到校准的r s ，它对应于被测电阻器的所需值。如果要测量无功元件(例如，pcb走线的电感或电容)，则需要校准频率发生器。幸运的是，现代数字毫欧和阻抗计可以为您处理大部分繁重的工作。这种仪器采用的一种方法是自动平衡桥 4 与可选择的rs值一起使用。
图2./strong>(a)开尔文双桥比较未知电阻r x 与标准已知电阻r 小号 。 (b)现代微量计采用一种称为自动平衡桥的变型。在线测量需要通过探头p fg 接地保护连接。
自动平衡电路保持开尔文桥的四线测量配置。强制电流从电压源流向r x ，通过探针p f1 进入r x 。对于所示的电压极性，运算放大器产生负输出电压。为了将求和结电压维持在0，输出电压达到负电平，足以通过探针p x 电流id5055884-129-sub“> f2 到r x(lead)，r s(领导)，和r s 。知道校准的r s 值，r x (电压表vm)两端的电压 1 measure)，以及r s (其中vm 2 measure)，自动平衡仪器的内部数字处理器可以计算r x 。这种技术可以测量低至1 mw。
如果您在线测量阻抗，则需要使用五线或六线测量技术。 5 这些导线包括两个强制导线和两个开尔文配置的感应导线以及一个保护连接(第五根导线)和可选的保护感应导线(第六根导线)。
图2b的以黄色突出显示的部分说明了使用防护配置。 r 1 且r 2 表示与r x ;虚线表示其他组件可能连接到网络，包括r x ，r 1 ，和r 2 。流经r 2 进入运算放大器求和点的任何电流都会干扰自动平衡电桥对r 的确定x ;对于所示配置，桥将报告r x 的值与r 1 加上r 2 加上它们的引线电阻。通过强制与求和点相对的r 2 节点，保护最小化通过r 2 的电流。通过探针p fg - 第五根线接地。由于探头对地连接不会完全无电阻，因此您可以添加第六根防护感应线来测量r 2的电压 guard connection，使您的仪器能够计算并补偿流经r 2 的误差电流。
传输线阻抗
迄今为止讨论的配置工作在直流或低频，基尔霍夫的电流定律瞬间适用：对于强制进入图1轨迹一端的每一个电子，电子立即弹出另一端。在高频率下，这种假设分崩离析。例如，假设您将1 ps的上升时间边沿应用于10 cm轨迹的一端。你必须等待至少333 ps，而你的信号沿光速传播，接近光速，然后在另一端发生任何事情。您的迹线已从简单的低阻导体转变为传输线。
为了描述信号沿迹线传播时的走线电压和电流，您不能直接依赖欧姆和基尔霍夫定律。但是，您可以研究迹线和附近导体的无穷小部分，通常是通过一层pcb基板与迹线分离的接地层(图3)，一种称为微带线的配置。您的pcb走线将具有每单位长度的电阻和电感( r '和 l ' )，你的电路板将展示一个接地平面电导和电容( g '和分别为c '。无穷小长度 dx 将具有 r 的电阻，电感，电容和电导值 dx ， l ' dx ， c ' dx ， g ' dx 。对于这个无穷小的长度，您可以调用欧姆定律和基尔霍夫的电压和电流定律来推导出电压 v(x，t)与当前 x 的位置“id3579883-126-i”> i(x，t)。
图3。此pcb走线，基板和接地层构成微带线线。您可以将欧姆和基尔霍夫定律应用于线的无穷小部分以计算其特征阻抗。
您可以查看任何介绍性教科书 6 ，以查看推导的代数细节。结果如下：
z 0 是pcb特性阻抗，对于低电阻和电导值(表征几乎无损的线)，减少到
。特性阻抗是pcb上高速电路的关键规范;特征阻抗值至关重要的迹线称为受控阻抗迹线。
您可以使用场解决控制阻抗计算器程序 7 来计算基于物理的微带线和其他pcb传输线配置的特征阻抗尺寸和导体和介电特性。测量特征阻抗以查看它与计算值的比较情况比简单地连接欧姆表更复杂。您将看到的阻抗不仅取决于被测线路，还取决于连接线路。
如果测量输入阻抗 z in 具有特征阻抗的无限长微带线 z 0 ，你会发现 z in = z 0 。类似地，如果您测量具有特征阻抗 z 0 的有限微带线，并且终止于匹配负载阻抗 z l = z 0 ，您还会发现 z in = z 0 。对于其他情况 - 有限传输线终止阻抗不匹配 z 0 - 测量变得更加复杂。当施加的入射信号遇到阻抗不匹配时，其一部分能量反射回源。反射电压 e r 与应用或入射电压 e i 称为反射系数 8 ：
如果您知道反射系数和其中一个阻抗值，则可以使用此公式计算其他阻抗。
通常用于测量反射系数的仪器是时域反射仪( tdr) - 基本上是一个时域示波器，它与一个用于产生入射电压的源相结合，可以应用于被测阻抗(图4a)。图4b至4e显示您可能期望看到的各种负载阻抗的tdr示波器波形。对于图4b中的开路情况，所有入射能量都反射回源。在时间t 1 ，入射波沿线传播并且入射波返回所需的时间，反射电压 e r = e i 增加了入射电压，tdr范围迹线上升到2 e i 。对于短路情况(图4c)，反射电压大小相等但极性与入射电压相反，反射系数为-1。
(a)时域反射仪包括示波器和信号发生器;它可以将入射电压施加到以负载阻抗终止的微带线，并监控反射电压。显示屏显示(b)无限负载和(c)短路负载以及负载阻抗(d)略高，(e)略低于微带线的特征阻抗。
通常，您将比较微带线的阻抗与已知参考元素的阻抗。例如，要测试28-w rambus存储器板阻抗，您可以将它们与由两个标准50 w阻抗并联的25 w参考电压进行比较。 9 在这种情况下，你会看到更低的反射系数，如图4d和4e所示。
您不需要专用的tdr来测量反射系数 - 任何满足您的应用所规定的速度要求的信号源和示波器都可以。然而，tdr确实具有优势。许多人会自动计算并显示反射系数，因此在计算器上计算数字时，您不必在示波器屏幕上对等。
此外，tdr可以很容易地找到阻抗不匹配。假设您知道沿传输线传播的信号的传播速度 - 您可以通过对相同类型的线路的已知长度执行tdr测量来确定 - 您可以根据生成之间的延迟计算不匹配阻抗的位置。入射电压和反射电压的出现。 (这对于测量长电缆比对微带线更有用。)大多数tdr可以为您执行这些计算，在x轴上显示距离和时间。
走线宽度和电镀厚度的变化可以在rambus板等高速板上造成严重破坏。在制造过程中验证受控阻抗板上的特性阻抗值对于确保正常运行至关重要。由于多层受控阻抗板上的受控阻抗迹线通常无法进入，因此制造商通常会制造测试样品及其生产板。测试试样 10 是具有与生产板相同的层和迹线结构的小pcb。可以从生产线定期提取测试试样，以确保它们能够充分代表可能降低生产板性能的任何工艺变化。它们经过修整以提供对传输线元件的访问以进行测试。
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你可以在最低电阻范围内使用标准dmm测量该幅度的电阻。只需将dmm的测试引线夹在一起即可测量其电阻;一些数字万用表将自动自动清零。 2 一个四位数的仪表，50-w刻度将提供0.01-& w& p分辨率，虽然精度低于1 w价值将受到影响。
图1。(a)此处描述的10 cm长的pcb走线对包含它的电路贡献0.18 w 。 pcb迹线材料的电阻通常表示为欧姆/平方。 (a)部分的轨迹由400个0.25x0.25毫米的方块组成，端对端设置;每个方块的电阻为0.18w/400平方或0.45mw/平方。 (b)您可以将方块组合成任何较大的方块并保持相同的阻力。
开尔文双桥
准确测量这种小电阻的传统方法是使用开尔文双桥 3 (图2a)。对于r a /r c = r b /r d ，当被测电阻器r x ，等于标准校准电阻，r s ，乘以r a /r b 。标记为r x(lead)的电阻表示与r x串联的测试引线或pcb走线电阻您要从r x 的测量值中排除。 r l 构成来自r b 和r d 与检流计相对。
首先用开关sw测量r x l 已关闭。在平衡桥之后打开sw l (即，在调整r s 之后使得检流计读数0)用作检查r a 到r d 的值。如果当您打开开关时检流计偏离0，那么r a /r c 比率不再等于r b /r d ，您需要重新校准桥接器或测量值不准确。
请注意，双桥执行四线测量：探头p f1 和p f2 用作强制导线，将电流输送到r x ;探针p s1 和p s2 用作传感线，测量r上产生的电压 x 以响应应用于它的电流。首先，键是应用传感线，使得它们仅测量被测电阻两端的电压，其次是最小化通过它们的电流。对于电阻器r a 到r b 具有1kw的值，开尔文双桥可以测量电阻从1μw到10w。如果用交流电源 f 代替图1所示的电池，则可以测量无功阻抗，其中电容器的阻抗(欧姆)等于-j/( 2pfc)和电感器的阻抗(欧姆)等于j2pl。
修补古典的开尔文双桥是一个繁琐的过程 - 你必须通过r a sub“> d 值并找到校准的r s ，它对应于被测电阻器的所需值。如果要测量无功元件(例如，pcb走线的电感或电容)，则需要校准频率发生器。幸运的是，现代数字毫欧和阻抗计可以为您处理大部分繁重的工作。这种仪器采用的一种方法是自动平衡桥 4 与可选择的rs值一起使用。
图2./strong>(a)开尔文双桥比较未知电阻r x 与标准已知电阻r 小号 。 (b)现代微量计采用一种称为自动平衡桥的变型。在线测量需要通过探头p fg 接地保护连接。
自动平衡电路保持开尔文桥的四线测量配置。强制电流从电压源流向r x ，通过探针p f1 进入r x 。对于所示的电压极性，运算放大器产生负输出电压。为了将求和结电压维持在0，输出电压达到负电平，足以通过探针p x 电流id5055884-129-sub“> f2 到r x(lead)，r s(领导)，和r s 。知道校准的r s 值，r x (电压表vm)两端的电压 1 measure)，以及r s (其中vm 2 measure)，自动平衡仪器的内部数字处理器可以计算r x 。这种技术可以测量低至1 mw。
如果您在线测量阻抗，则需要使用五线或六线测量技术。 5 这些导线包括两个强制导线和两个开尔文配置的感应导线以及一个保护连接(第五根导线)和可选的保护感应导线(第六根导线)。
图2b的以黄色突出显示的部分说明了使用防护配置。 r 1 且r 2 表示与r x ;虚线表示其他组件可能连接到网络，包括r x ，r 1 ，和r 2 。流经r 2 进入运算放大器求和点的任何电流都会干扰自动平衡电桥对r 的确定x ;对于所示配置，桥将报告r x 的值与r 1 加上r 2 加上它们的引线电阻。通过强制与求和点相对的r 2 节点，保护最小化通过r 2 的电流。通过探针p fg - 第五根线接地。由于探头对地连接不会完全无电阻，因此您可以添加第六根防护感应线来测量r 2的电压 guard connection，使您的仪器能够计算并补偿流经r 2 的误差电流。
传输线阻抗
迄今为止讨论的配置工作在直流或低频，基尔霍夫的电流定律瞬间适用：对于强制进入图1轨迹一端的每一个电子，电子立即弹出另一端。在高频率下，这种假设分崩离析。例如，假设您将1 ps的上升时间边沿应用于10 cm轨迹的一端。你必须等待至少333 ps，而你的信号沿光速传播，接近光速，然后在另一端发生任何事情。您的迹线已从简单的低阻导体转变为传输线。
为了描述信号沿迹线传播时的走线电压和电流，您不能直接依赖欧姆和基尔霍夫定律。但是，您可以研究迹线和附近导体的无穷小部分，通常是通过一层pcb基板与迹线分离的接地层(图3)，一种称为微带线的配置。您的pcb走线将具有每单位长度的电阻和电感( r '和 l ' )，你的电路板将展示一个接地平面电导和电容( g '和分别为c '。无穷小长度 dx 将具有 r 的电阻，电感，电容和电导值 dx ， l ' dx ， c ' dx ， g ' dx 。对于这个无穷小的长度，您可以调用欧姆定律和基尔霍夫的电压和电流定律来推导出电压 v(x，t)与当前 x 的位置“id3579883-126-i”> i(x，t)。
图3。此pcb走线，基板和接地层构成微带线线。您可以将欧姆和基尔霍夫定律应用于线的无穷小部分以计算其特征阻抗。
您可以查看任何介绍性教科书 6 ，以查看推导的代数细节。结果如下：
z 0 是pcb特性阻抗，对于低电阻和电导值(表征几乎无损的线)，减少到
。特性阻抗是pcb上高速电路的关键规范;特征阻抗值至关重要的迹线称为受控阻抗迹线。
您可以使用场解决控制阻抗计算器程序 7 来计算基于物理的微带线和其他pcb传输线配置的特征阻抗尺寸和导体和介电特性。测量特征阻抗以查看它与计算值的比较情况比简单地连接欧姆表更复杂。您将看到的阻抗不仅取决于被测线路，还取决于连接线路。
如果测量输入阻抗 z in 具有特征阻抗的无限长微带线 z 0 ，你会发现 z in = z 0 。类似地，如果您测量具有特征阻抗 z 0 的有限微带线，并且终止于匹配负载阻抗 z l = z 0 ，您还会发现 z in = z 0 。对于其他情况 - 有限传输线终止阻抗不匹配 z 0 - 测量变得更加复杂。当施加的入射信号遇到阻抗不匹配时，其一部分能量反射回源。反射电压 e r 与应用或入射电压 e i 称为反射系数 8 ：
如果您知道反射系数和其中一个阻抗值，则可以使用此公式计算其他阻抗。
通常用于测量反射系数的仪器是时域反射仪( tdr) - 基本上是一个时域示波器，它与一个用于产生入射电压的源相结合，可以应用于被测阻抗(图4a)。图4b至4e显示您可能期望看到的各种负载阻抗的tdr示波器波形。对于图4b中的开路情况，所有入射能量都反射回源。在时间t 1 ，入射波沿线传播并且入射波返回所需的时间，反射电压 e r = e i 增加了入射电压，tdr范围迹线上升到2 e i 。对于短路情况(图4c)，反射电压大小相等但极性与入射电压相反，反射系数为-1。
(a)时域反射仪包括示波器和信号发生器;它可以将入射电压施加到以负载阻抗终止的微带线，并监控反射电压。显示屏显示(b)无限负载和(c)短路负载以及负载阻抗(d)略高，(e)略低于微带线的特征阻抗。
通常，您将比较微带线的阻抗与已知参考元素的阻抗。例如，要测试28-w rambus存储器板阻抗，您可以将它们与由两个标准50 w阻抗并联的25 w参考电压进行比较。 9 在这种情况下，你会看到更低的反射系数，如图4d和4e所示。
您不需要专用的tdr来测量反射系数 - 任何满足您的应用所规定的速度要求的信号源和示波器都可以。然而，tdr确实具有优势。许多人会自动计算并显示反射系数，因此在计算器上计算数字时，您不必在示波器屏幕上对等。
此外，tdr可以很容易地找到阻抗不匹配。假设您知道沿传输线传播的信号的传播速度 - 您可以通过对相同类型的线路的已知长度执行tdr测量来确定 - 您可以根据生成之间的延迟计算不匹配阻抗的位置。入射电压和反射电压的出现。 (这对于测量长电缆比对微带线更有用。)大多数tdr可以为您执行这些计算，在x轴上显示距离和时间。
走线宽度和电镀厚度的变化可以在rambus板等高速板上造成严重破坏。在制造过程中验证受控阻抗板上的特性阻抗值对于确保正常运行至关重要。由于多层受控阻抗板上的受控阻抗迹线通常无法进入，因此制造商通常会制造测试样品及其生产板。测试试样 10 是具有与生产板相同的层和迹线结构的小pcb。可以从生产线定期提取测试试样，以确保它们能够充分代表可能降低生产板性能的任何工艺变化。它们经过修整以提供对传输线元件的访问以进行测试。
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