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如何选择高速数字电路的PCB材料

作者:angelazhang时间:2015-08-16

随着微处理器和信号转换器等每秒数十亿次的运行速度,数字电路也不断达到更高的运行速度。传输线阻抗不连续性和多层电路板间互联电镀通孔(PDH)的缺陷都会对高速数字电路产生不良的影响,但是不符合具体应用的PCB材料的选择也会对高速数字电路的性能造成不良影响。这就引出一个问题,高速数字电路应用的PCB材料的选择应该考虑哪些主要因素。


模拟电路工程师通过介电常数和损耗因子等与性能相关的参数来选择合适的PCB材料。当为高速数字电路板选择PCB材料时,这些参数也可作为参考标准。实际上,为高速数字电路选用合适的PCB材料将有助于理解高速数字信号和高频模拟信号之间的联系。


随着数字电路运行速度不断提升,当使用一些通用PCB材料如FR-4加工这些电路时,会由于多种原因达不到最终性能要求。在诸多方面,高速数字电路和高速数字信号对电路材料的需求同微波毫米波模拟电路对电路材料的需求类似。


高速数字信号都是方波信号,可以看作是许多不同频率但彼此相关的正弦信号的叠加。保持数字信号的完整性以及上升沿和下降沿的边沿陡峭程度相当于模拟电路中实现毫米波的低损耗和低失真传输。对毫米波模拟信号传输性能起关键作用的PCB材料参数也是高速数字PCB材料选型的重要参考。


高速数字电路PCB材料选择的主要参数指标包括Dk,正切损耗角,损耗及介质层厚度。无论是模拟电路还是数字电路,PCB介电常数Dk一贯是材料选用的重要参数,因为Dk值与应用于该材料的实际电路阻抗值关系密不可分。当PCB材料的Dk值变化时,无论是随频率变化还是随温度变化,电路的传输线阻抗都会产生意向不到的变化,进而对高速数字电路的性能造成不利的影响。Dk值和阻抗的非预期改变会使高速数字信号的模拟谐波成分产生失真,进而使信号的完整性下降。


对于高速数字电路PCB材料来说,色散也是一个重要指标。色散是与Dk值密切相关的材料的特性,Dk值随频率变化越小,色散就越小,对高速数字电路应用就越好。介质材料的极化,材料的损耗以及高频段铜导体的表面粗糙度等各种不同因素都会引起电路的色散。对于高速数字信号,如果PCB材料的Dk对不同频率的谐波成分呈现不同值,将导致谐波成分产生一定程度的损耗和频率偏移,进而导致高速数字信号的性能下降。


PCB信号的损耗随频率的增加,特别是随高速数字信号的高阶谐波成分的频率变化,将产生严重的幅度衰减,从而导致高速数字信号的失真。高速数字电路PCB的导线长度和保持其信号完整性也有很大关联。热河PCB电路的损耗都是频率的函数,会随着频率的上升而增加。PCB材料的损耗可能在基波频率出可以接受,甚至在三次谐波也有较低的损耗,但在五次七次谐波处就可能存在严重的损耗。此外,信号的损耗会随着导线长度的增加而增大。


由于介质损耗和铜箔道题损耗影响,对于高速数字信号,其高阶谐波成分的电路长度总损耗比低阶成分的总损耗更大一些。对于某些电路材料,10英寸电路损耗在高速数字信号的5阶和7阶谐波处可以达到10dB甚至更高,这将导致PCB材料中传输的高速数字信号产生较大的失真。


如上所述,Dk值改变导致的PCB传输线阻抗值的改变会引起高速数字信号的失真。对于高速数字电路,还应该关注电路的物理结构对性能的影响。在PCB电路中,传输线的直角弯曲等都会影响电路性能。直角弯去意味着传输线有效宽度的改变,这将导致传输线阻抗的不连续,并使弯曲处的电路电容增加。斜切45度弯曲设计既能最小化阻抗的不连续性,又能最小化信号通过此处时产生的反射。


高速数字电路的运行速度也可以作为PCB材料的选择考虑因素,电路的运行速度越高,所选用的PCB材料的损耗和Df等参数应该越小。具有中、低损耗参数的电路材料适用于上限10Gb/s的数字电路;具有更低损耗参数的电路材料适用于上限25Gb/s的数字电路;具有超低损耗参数的电路材料则适用于更快的高速数字电路,其运行速度可以达到50Gb/s或者更高。从材料参数Df角度看,Df介于0.010到0.005的电路材料适用于上限10Gb/s的数字电路,Df介于0.005到0.003的电路材料适用于上限25Gb/s的数字电路,Df不超过0.0015的电路材料适用于上限50Gb/s甚至更高的数字电路。


世强代理的罗杰斯公司的RO4003 PCB材料,属于陶瓷填充玻璃纤维加固的碳氢化合物层压板。10GHz时,该材料的纵向Dk为3.38,纵向Df值为0.0027.该材料的Dk频率稳定性极好,其偏差不超过0.05.由于其稳定的Dk值,该材料已经应用于毫米波频段内的宽带模拟电路和运行速度达25Gb/s的低失真高速数字电路。此外,为适用于高速数字电路,该材料的介质厚度都严格控制,可以进行多层PCB混压。




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