PCB中的微带线和带状线延时上的差别

mutougeda

大家在对一些数据总线处理等长的时候，都知道要同组同层，除了免去过孔带来的传输延时之外，微带线和带状线由于信号传输速度的不同，同样长度的走线延时也是有差别。我们绕等长的最终目的是为了满足时间上的等长而不是单纯走线长度上的物理等长。到底微带线和带状线延时上的差别有多大，绕等长的时候过孔的长度要不要算进去，可能有个具体的数据会更直观点。下面我们来将这些数据进行估算和量化。

1.微带线和带状线传输时延
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PCB中微带线是指走线只有一个参考面，带状线是指走线有两个参考面。带状线由于电磁场都被束缚在两个参考面之间的板材中，所以走线的有效介电常数为板材的介电常数。微带线会导致部分电磁场暴露在空气中，空气的相对介电常数约为1.0006，板材如常规FR4的介电常数为4.2，那么微带线的有效介电常数在1和4.2之间。

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5 a( o) ?7 E: U  R9 k8 o. k8 z现在以特定的FR4板材和层叠结构来量化微带线和带状线的传输延时。
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8 i* }( u$ H7 U2 c' d5 V3 Y' z1 Z# W1.微带线层叠和时延


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! M+ Q. D9 ]$ [: p7 |! {0 t0 R/ }0 o2.带状线层叠和时延


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注意一下，时延的单位为ps/in。从上面两个图中可以看到1000mil的走线，微带线的时延为149.668ps，带状线的时延为173.635ps。1000mil的走线，带状线和微带线的时延差为173.635ps-149.668ps=23.967ps。这个差距还是非常大的，在绕DDR的数据线的时候，如果数据线走线不同层，对于DDR的源同步时钟系统来说，所谓的物理等长会带来严重的时序问题。

3.过孔时延

% D. Y5 i% P& q% I经过一些数据的量化，微带线和带状线的传输延时有很明显的差距，有了这个数据，有的同学可能会对同组同层的要求认识会更深刻。对于一些等长要求不是很严格的走线来说，比如说ddr的地址线，并没有同组同层的要求。不同层的信号除了信号不同层带来的时延差之外还相差了一个过孔的长度，这段长度严格来说也是要算进去的。


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来对比一下1.6mm长的过孔和走线时延差距有多大。
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: m4 I7 s( G( `0 D( f过孔的延时可以用一个很简单的公式来进行估算：

Td_via=
; [2 ]( G0 E# D& Q- s. d2 O
. ~9 V: L6 L8 V5 i& gL表示过孔的寄生电感，C表示过孔的寄生电容，这两个参数都会导致过孔的传输延时变大。获取过孔的寄生电感和寄生电容很简单，如下图。


4 |. u% M! t  V) b! d, M
5 ?5 }( w, L  z( G3 w; I8 o上图的过孔结构根据过孔的时延估算公式可计算出
1 Q0 _: e0 k' u$ G8 K
Td_via= =sqr（0.4021pf*1326.2pH）=23.1ps

而对于普通FR4板材的微带线，1.6mm走线传输延时约为11ps，对于带状线约为12.5ps。所以相同长度的走线和过孔之间的时延差是非常大的。

电磁信号或者光信号在传输介质中的传输速度也可用以下简化公式进行估算：
" L& S- j* p2 o5 L. K- I
( a. r: t& I  m* U& B5 v  Q
1 B/ i; V; a: L8 b
5 _% X/ m. i! D& E# k: u2 [V：电磁信号或者光信号在传输介质中的传输速度

: d, m6 }" ^9 ?8 QC：光速，
0 Q) L4 c) s2 {
" v  \' n: k/ Y6 U/ `# U, PDk：传输介质的介电常数，对于常规FR4板材来说 就是2。

& c( `3 k$ _5 _8 Z9 l. }2 u所以信号在PCB上的传输速度 ≈6mil/ps。
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2 J0 X3 @0 y: g0 H) B: j8 H所以特别是对我们目前等长规则越来越严格的情况下：
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( S9 Z% P+ z: q, @' m8 L（1）需要做等长的信号要尽量走同层，换层时需要注意总的长度要保持相等并且每层走线都需要等长。 
$ Y- X, O2 h$ H, Z* U$ a0 b
（2）需要等长的信号走相同走线层可以保持过孔的时延一致,从而消除过孔时延不一致带来的影响。

（3）无法保证同组同层时，请把过孔的长度也考虑进去。其实任何时候把这个选项勾上都是没有问题的，前提是设置好层叠结构，这个Z轴的延时长度才会准确。虽然说相同长度的过孔和走线延时上会有差别，勾上这个选项等长误差也并不一定准确，但是完全不勾误差会更大。
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