理想的指揮是歷史。如果你不相信，你的設(shè)計(jì)可能是吐司。從DC到千兆赫頻率范圍，PCB走線電阻和電抗會(huì)降低產(chǎn)品性能。精確測(cè)量走線阻抗可以幫助您確定電路無(wú)法達(dá)到最佳性能的原因。

問題始于直流測(cè)量。對(duì)于直流測(cè)量，您無(wú)需關(guān)心電抗，但即使PCB走線顯示的低電阻電平也會(huì)引入誤差。考慮圖1a中的銅跡線，顯示0.45 mW/平方電阻(圖1b)。該跡線表現(xiàn)出大約0.18-W的電阻。 1 如果它向具有5kW輸入阻抗的16位ADC傳輸模擬信號(hào)，它將貢獻(xiàn)一個(gè)單位誤差為0.18/5k = 3.6×10 - 5 。這大約等于2x2 - 16 ，表示走線電阻會(huì)給ADC的輸出帶來(lái)2-LSB誤差。

你可以在最低電阻范圍內(nèi)使用標(biāo)準(zhǔn)DMM測(cè)量該幅度的電阻。只需將DMM的測(cè)試引線夾在一起即可測(cè)量其電阻;一些數(shù)字萬(wàn)用表將自動(dòng)自動(dòng)清零。 2 一個(gè)四位數(shù)的儀表，50-W刻度將提供0.01-& W& p分辨率，雖然精度低于1 W價(jià)值將受到影響。

圖1。(a)此處描述的10 cm長(zhǎng)的PCB走線對(duì)包含它的電路貢獻(xiàn)0.18 W 。 PCB跡線材料的電阻通常表示為歐姆/平方。 (a)部分的軌跡由400個(gè)0.25x0.25毫米的方塊組成，端對(duì)端設(shè)置;每個(gè)方塊的電阻為0.18W/400平方或0.45mW/平方。 (b)您可以將方塊組合成任何較大的方塊并保持相同的阻力。

開爾文雙橋

準(zhǔn)確測(cè)量這種小電阻的傳統(tǒng)方法是使用開爾文雙橋 3 (圖2a)。對(duì)于R A /R C = R B /R D ，當(dāng)被測(cè)電阻器R X ，等于標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)電阻，R S ，乘以R A /R B 。標(biāo)記為R X(lead)的電阻表示與R X串聯(lián)的測(cè)試引線或PCB走線電阻您要從R X 的測(cè)量值中排除。 R L 構(gòu)成來(lái)自R B 和R D 與檢流計(jì)相對(duì)。

首先用開關(guān)SW測(cè)量R X L 已關(guān)閉。在平衡橋之后打開SW L (即，在調(diào)整R S 之后使得檢流計(jì)讀數(shù)0)用作檢查R A 到R D 的值。如果當(dāng)您打開開關(guān)時(shí)檢流計(jì)偏離0，那么R A /R C 比率不再等于R B /R D ，您需要重新校準(zhǔn)橋接器或測(cè)量值不準(zhǔn)確。

請(qǐng)注意，雙橋執(zhí)行四線測(cè)量：探頭P F1 和P F2 用作強(qiáng)制導(dǎo)線，將電流輸送到R X ;探針P S1 和P S2 用作傳感線，測(cè)量R上產(chǎn)生的電壓 X 以響應(yīng)應(yīng)用于它的電流。首先，鍵是應(yīng)用傳感線，使得它們僅測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，其次是最小化通過它們的電流。對(duì)于電阻器R A 到R B 具有1kW的值，開爾文雙橋可以測(cè)量電阻從1μW到10W。如果用交流電源 f 代替圖1所示的電池，則可以測(cè)量無(wú)功阻抗，其中電容器的阻抗(歐姆)等于-j/( 2pfC)和電感器的阻抗(歐姆)等于j2pL。

修補(bǔ)古典的開爾文雙橋是一個(gè)繁瑣的過程 - 你必須通過R A sub“> D 值并找到校準(zhǔn)的R S ，它對(duì)應(yīng)于被測(cè)電阻器的所需值。如果要測(cè)量無(wú)功元件(例如，PCB走線的電感或電容)，則需要校準(zhǔn)頻率發(fā)生器。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代數(shù)字毫歐和阻抗計(jì)可以為您處理大部分繁重的工作。這種儀器采用的一種方法是自動(dòng)平衡橋 4 與可選擇的RS值一起使用。

圖2./strong>(a)開爾文雙橋比較未知電阻R X 與標(biāo)準(zhǔn)已知電阻R 小號(hào) 。 (b)現(xiàn)代微量計(jì)采用一種稱為自動(dòng)平衡橋的變型。在線測(cè)量需要通過探頭P FG 接地保護(hù)連接。

自動(dòng)平衡電路保持開爾文橋的四線測(cè)量配置。強(qiáng)制電流從電壓源流向R X ，通過探針P F1 進(jìn)入R X 。對(duì)于所示的電壓極性，運(yùn)算放大器產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。為了將求和結(jié)電壓維持在0，輸出電壓達(dá)到負(fù)電平，足以通過探針P X 電流id5055884-129-sub“> F2 到R X(lead)，R S(領(lǐng)導(dǎo))，和R S 。知道校準(zhǔn)的R S 值，R X (電壓表VM)兩端的電壓 1 measure)，以及R S (其中VM 2 measure)，自動(dòng)平衡儀器的內(nèi)部數(shù)字處理器可以計(jì)算R X 。這種技術(shù)可以測(cè)量低至1 mW。

如果您在線測(cè)量阻抗，則需要使用五線或六線測(cè)量技術(shù)。 5 這些導(dǎo)線包括兩個(gè)強(qiáng)制導(dǎo)線和兩個(gè)開爾文配置的感應(yīng)導(dǎo)線以及一個(gè)保護(hù)連接(第五根導(dǎo)線)和可選的保護(hù)感應(yīng)導(dǎo)線(第六根導(dǎo)線)。

圖2b的以黃色突出顯示的部分說明了使用防護(hù)配置。 R 1 且R 2 表示與R X ;虛線表示其他組件可能連接到網(wǎng)絡(luò)，包括R X ，R 1 ，和R 2 。流經(jīng)R 2 進(jìn)入運(yùn)算放大器求和點(diǎn)的任何電流都會(huì)干擾自動(dòng)平衡電橋?qū) 的確定X ;對(duì)于所示配置，橋?qū)?bào)告R X 的值與R 1 加上R 2 加上它們的引線電阻。通過強(qiáng)制與求和點(diǎn)相對(duì)的R 2 節(jié)點(diǎn)，保護(hù)最小化通過R 2 的電流。通過探針P FG - 第五根線接地。由于探頭對(duì)地連接不會(huì)完全無(wú)電阻，因此您可以添加第六根防護(hù)感應(yīng)線來(lái)測(cè)量R 2的電壓 guard connection，使您的儀器能夠計(jì)算并補(bǔ)償流經(jīng)R 2 的誤差電流。

傳輸線阻抗

迄今為止討論的配置工作在直流或低頻，基爾霍夫的電流定律瞬間適用：對(duì)于強(qiáng)制進(jìn)入圖1軌跡一端的每一個(gè)電子，電子立即彈出另一端。在高頻率下，這種假設(shè)分崩離析。例如，假設(shè)您將1 ps的上升時(shí)間邊沿應(yīng)用于10 cm軌跡的一端。你必須等待至少333 ps，而你的信號(hào)沿光速傳播，接近光速，然后在另一端發(fā)生任何事情。您的跡線已從簡(jiǎn)單的低阻導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬏斁€。

為了描述信號(hào)沿跡線傳播時(shí)的走線電壓和電流，您不能直接依賴歐姆和基爾霍夫定律。但是，您可以研究跡線和附近導(dǎo)體的無(wú)窮小部分，通常是通過一層PCB基板與跡線分離的接地層(圖3)，一種稱為微帶線的配置。您的PCB走線將具有每單位長(zhǎng)度的電阻和電感( R '和 L ' )，你的電路板將展示一個(gè)接地平面電導(dǎo)和電容( G '和分別為C '。無(wú)窮小長(zhǎng)度 dx 將具有 R 的電阻，電感，電容和電導(dǎo)值 dx ， L ' dx ， C ' dx ， G ' dx 。對(duì)于這個(gè)無(wú)窮小的長(zhǎng)度，您可以調(diào)用歐姆定律和基爾霍夫的電壓和電流定律來(lái)推導(dǎo)出電壓 v(x，t)與當(dāng)前 x 的位置“id3579883-126-i”> i(x，t)。

圖3。此PCB走線，基板和接地層構(gòu)成微帶線線。您可以將歐姆和基爾霍夫定律應(yīng)用于線的無(wú)窮小部分以計(jì)算其特征阻抗。

您可以查看任何介紹性教科書 6 ，以查看推導(dǎo)的代數(shù)細(xì)節(jié)。結(jié)果如下：

Z 0 是PCB特性阻抗，對(duì)于低電阻和電導(dǎo)值(表征幾乎無(wú)損的線)，減少到

。特性阻抗是PCB上高速電路的關(guān)鍵規(guī)范;特征阻抗值至關(guān)重要的跡線稱為受控阻抗跡線。

您可以使用場(chǎng)解決控制阻抗計(jì)算器程序 7 來(lái)計(jì)算基于物理的微帶線和其他PCB傳輸線配置的特征阻抗尺寸和導(dǎo)體和介電特性。測(cè)量特征阻抗以查看它與計(jì)算值的比較情況比簡(jiǎn)單地連接歐姆表更復(fù)雜。您將看到的阻抗不僅取決于被測(cè)線路，還取決于連接線路。

如果測(cè)量輸入阻抗 Z IN 具有特征阻抗的無(wú)限長(zhǎng)微帶線 Z 0 ，你會(huì)發(fā)現(xiàn) Z IN = Z 0 。類似地，如果您測(cè)量具有特征阻抗 Z 0 的有限微帶線，并且終止于匹配負(fù)載阻抗 Z L = Z 0 ，您還會(huì)發(fā)現(xiàn) Z IN = Z 0 。對(duì)于其他情況 - 有限傳輸線終止阻抗不匹配 Z 0 - 測(cè)量變得更加復(fù)雜。當(dāng)施加的入射信號(hào)遇到阻抗不匹配時(shí)，其一部分能量反射回源。反射電壓 E R 與應(yīng)用或入射電壓 E I 稱為反射系數(shù) 8 ：

如果您知道反射系數(shù)和其中一個(gè)阻抗值，則可以使用此公式計(jì)算其他阻抗。

通常用于測(cè)量反射系數(shù)的儀器是時(shí)域反射儀( TDR) - 基本上是一個(gè)時(shí)域示波器，它與一個(gè)用于產(chǎn)生入射電壓的源相結(jié)合，可以應(yīng)用于被測(cè)阻抗(圖4a)。圖4b至4e顯示您可能期望看到的各種負(fù)載阻抗的TDR示波器波形。對(duì)于圖4b中的開路情況，所有入射能量都反射回源。在時(shí)間t 1 ，入射波沿線傳播并且入射波返回所需的時(shí)間，反射電壓 E R = E I 增加了入射電壓，TDR范圍跡線上升到2 E I 。對(duì)于短路情況(圖4c)，反射電壓大小相等但極性與入射電壓相反，反射系數(shù)為-1。

< idd =”id =“ >(a)時(shí)域反射儀包括示波器和信號(hào)發(fā)生器;它可以將入射電壓施加到以負(fù)載阻抗終止的微帶線，并監(jiān)控反射電壓。顯示屏顯示(b)無(wú)限負(fù)載和(c)短路負(fù)載以及負(fù)載阻抗(d)略高，(e)略低于微帶線的特征阻抗。

通常，您將比較微帶線的阻抗與已知參考元素的阻抗。例如，要測(cè)試28-W Rambus存儲(chǔ)器板阻抗，您可以將它們與由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)50 W阻抗并聯(lián)的25 W參考電壓進(jìn)行比較。 9 在這種情況下，你會(huì)看到更低的反射系數(shù)，如圖4d和4e所示。

您不需要專用的TDR來(lái)測(cè)量反射系數(shù) - 任何滿足您的應(yīng)用所規(guī)定的速度要求的信號(hào)源和示波器都可以。然而，TDR確實(shí)具有優(yōu)勢(shì)。許多人會(huì)自動(dòng)計(jì)算并顯示反射系數(shù)，因此在計(jì)算器上計(jì)算數(shù)字時(shí)，您不必在示波器屏幕上對(duì)等。

此外，TDR可以很容易地找到阻抗不匹配。假設(shè)您知道沿傳輸線傳播的信號(hào)的傳播速度 - 您可以通過對(duì)相同類型的線路的已知長(zhǎng)度執(zhí)行TDR測(cè)量來(lái)確定 - 您可以根據(jù)生成之間的延遲計(jì)算不匹配阻抗的位置。入射電壓和反射電壓的出現(xiàn)。 (這對(duì)于測(cè)量長(zhǎng)電纜比對(duì)微帶線更有用。)大多數(shù)TDR可以為您執(zhí)行這些計(jì)算，在x軸上顯示距離和時(shí)間。

走線寬度和電鍍厚度的變化可以在Rambus板等高速板上造成嚴(yán)重破壞。在制造過程中驗(yàn)證受控阻抗板上的特性阻抗值對(duì)于確保正常運(yùn)行至關(guān)重要。由于多層受控阻抗板上的受控阻抗跡線通常無(wú)法進(jìn)入，因此制造商通常會(huì)制造測(cè)試樣品及其生產(chǎn)板。測(cè)試試樣 10 是具有與生產(chǎn)板相同的層和跡線結(jié)構(gòu)的小PCB。可以從生產(chǎn)線定期提取測(cè)試試樣，以確保它們能夠充分代表可能降低生產(chǎn)板性能的任何工藝變化。它們經(jīng)過修整以提供對(duì)傳輸線元件的訪問以進(jìn)行測(cè)試。