CN101604349A - 一种控制信号传输同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及印刷电路板的多传输线同步的延时控制技术，特别涉及一种信号传输同步控制方法。现有的技术方案是在介电常数不变的情况下，通过对传输线长度的调整，来实现对传输线间延迟的控制。本发明是在传输线长度不变的情况下，通过调整相对介电常数来达到通道间传输一致性的方法，可对皮秒级的延时进行调节。实际测试的结果表明，该方法可以实现很好的信号传输的同步，与通过调整走线长度来实现对传输线间延迟控制的传统方法相比，提高了同步精度，达到了皮秒级的延时调整。

Description

一种控制信号传输同步的方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及电子技术中的印刷电路板的多传输线同步的延时控制技术。

背景技术

随着信息技术的发展，电子设备与人们的生活越来越密切，它们几乎出现在生活的各个角落。印刷电路板(Printed Circuit Board，简称“PCB”)作为重要的部件出现在绝大多数电子设备中。除了固定各种电子器件，PCB的主要功能是为它上面的各种电子器件提供相互的电气连接。本领域的普通技术人员知道，PCB的基板是由绝缘隔热并不易弯曲的材质制成，在PCB板的表面通过导线提供电子器件的电路连接。

制造印制电路板的主要材料是敷铜板(又名覆铜板)。覆铜板就是经过粘接、热挤压工艺，使一定厚度的铜箔牢固地覆着在绝缘基板上。所用覆铜板基板材料及厚度不同，覆铜板所用铜箔与粘接剂也各有差异，制造出来的敷铜板在性能上就有很大差别。铜箔覆在基板的一面，称作单面敷铜板，覆在基板二面的称作双面敷铜板。

1、基板

高分子合成树脂和增强材料组成的绝缘层压板可以作为敷铜板的基板。合成树脂的种类繁多，常用的有酚醛树脂、环氧树脂、聚四氟乙烯等。增强材料一般有纸质和布质两种，它们决定了基板的机械性能，如耐浸焊性、抗弯强度等。

2、铜箔

它是制造敷铜板的关键材料，必须有较高的导电率及良好的焊接性。一般技术要求铜箔表面不得有划痕、砂眼和皱褶，金属纯度不低于99、8％，厚度误差不大于±5μm。

3、覆铜板粘合剂

粘合剂是铜箔能否牢固地覆在基板上的重要因素。敷铜板的抗剥强度主要取决于粘合剂的性能。

4、阻焊剂

通常在整个PCB基板外面还要再包上一层阻焊剂。阻焊剂的作用是防止桥接、短路及虚焊等现象的出现，对高密度印制电路板尤为重要；保护元器件和集成电路；节约焊料；还可以使用带色彩的阻焊剂，以起到美化印制板的作用。

标准的四层PCB板叠层如图1所示，图中基板材质为FR4(环氧树脂玻璃纤维板)，信号层覆铜，此外在PCB板外包有阻焊剂。

在低速电路设计中，可以将信号走线看作是集总的电容或是延迟线，而随着电子设备的工作频率的提高，信号走线会逐渐产生传输线效应和完整性的问题。在高速数字系统中，有必要将PCB上面的连线看做传输线。高频工作时PCB的导线会产生串联或并联的电容、电阻和电感效应，并且相对工作频率，导线产生的延时也不能忽略。

传输线上的电信号的传播速度与周围媒介有关。传播延迟通常用s/m来度量，它是传播速度的倒数。传输线的传播延迟与周围介质的介电常数的平方根成正比。传输线的时间延迟仅是指信号传播过整个线长所用的时间总量。式(1)～(3)表示了有效介电常数ε_r、传播速度v、传播延迟P_D和时间延迟T_D之间的关系：

$v=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(1\right)$

$P_D=\frac{1}{v}\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{c}---\left(2\right)$

$T_D=\frac{x\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{c}---\left(3\right)$

式中

v——传播速度，单位m/s；

c——光速，c＝3×10⁸m/s；

ε_r——有效介电常数；

P_D——传播延迟，单位为s/m；

T_D——信号通过一段走线的传播延时，单位为s；

x——传输线长度，单位为m。

需要注意的是，式(1)～(3)是假设没有磁性材料存在的，即μ_r＝1，因为在公式中不考虑磁性材料。

微带线的有效介电常数计算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ri}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b+{\mathrm{\ϵ}}_i}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b-{\mathrm{\ϵ}}_i}{2}{(1+\frac{12H}{W})}^{-\frac{1}{2}}+F-0.217({\mathrm{\ϵ}}_b-1)\frac{T}{\sqrt{\mathrm{WH}}}---\left(4\right)$

$F=\left\{\begin{array}{cc}0.02({\mathrm{\&epsiv;}}_b-1){(1-\frac{W}{H})}^2& \frac{W}{H}<1\\ 0& \frac{W}{H}>1\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，ε_ri为有效介电常数，ε_b是板材的介电常数，ε_i是板外阻焊剂或空气的介电常数，H是走线到参考平面的高度，W是走线宽度，而T是走线厚度。

由公式(3)可以看出，传输线的延迟取决于绝缘材料的介电常数和线长。在多通道信号传输的过程中，为了保证通道间传输延时的一致性，往往要求通道间的相位抖动误差在很小的范围内，如图2中，即要求传输线Line1、Line2和Line3之间的传输时间要一致。现有的技术方案通过调整各通道的走线长度来调整通道间的延迟，在图2中，如果Line3的传输较Line1延迟过大，可将ab两点短接，来调整传输线的长度，使Line3的传输延迟与Line1趋近一致，若仍有很大差别，可继续通过此方法对Line3传输线进行调整，直至通道间一致性满足指标要求，其它通道也可通过此方法进行调整。

现有的技术方案是在介电常数不变的情况下，通过对传输线长度的调整，来实现对传输线间延迟的控制，但其只能实现纳秒级的延时调整，而对于要求通道一致性极高的情况下，例如通道间的相位抖动为几个至几十个皮秒的情况下，就不能通过这种方法来调整了。

本发明是在传输线长度不变的情况下，通过调整等效介电常数来实现对传输线皮秒级的延时调整。

发明内容

本发明的目的是为了解决通道间信号传输高度一致性的问题，而提供一种控制信号传输同步的方法，该方法可以保证相位抖动在几个至几十个皮秒的范围内达到信号传输的同步。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明提供一种控制信号传输同步的方法，该方法的实现步骤如下：

步骤1：依据(4)、(5)式计算出具有阻焊情况下的印刷电路板结构的等效介电常数ε_r1；

步骤2：依据(4)、(5)计算出去除阻焊情况下的印刷电路板结构的等效介电常数ε_r2；

步骤3：根据设计系统要求的多通道间传输的最小传输延时调整要求，设此调整最小值要求为Δ_D，即根据下式(6)，

${\mathrm{\&Delta;}}_D=\frac{x\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r1}}}{c}-\frac{x\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r2}}}{c}=\frac{x}{c}(\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r1}}-\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r2}})---\left(6\right)$

求出计算调整延时所使用的去除阻焊空格的宽度(图3中的d)，即(7)式

$d=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_D\&times;c}{(\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r1}}-\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r2}})}---\left(7\right)$

步骤4：按s≤d的原则确定s的数值(图3中的s)。考虑到实现工艺的原因，一般取s≥1mm；

步骤5：L(图3中的L)的尺寸按L≥信号走线宽带W进行确定；

步骤6：根据步骤3、4、5确定d、s、L，每隔s设计一个长为L、宽为d的去阻焊格，去阻焊格的数量可以按照略大于需要调整的最大总时延要求确定，去阻焊格设计情况如图3所示；

步骤7：在线路板调试时，根据实际测得的两条传输线的延时差，确定这两条传输线间需要调整的延时t_D。

步骤8：根据式(8)计算出需要填充阻焊剂的去阻焊格的数目n，对需要增加延时的信号走线，将走线上的n个去阻焊空格填充上阻焊剂。

$n=\frac{t_D}{{\mathrm{\&Delta;}}_D}---\left(8\right)$

一次调整完成后，再次对这两条传输线进行延时测试，若仍然不满足要求，可重复步骤7和步骤8，直至达到满意的结果。

若需对多条传输线进行调整，可通过控制每两条传输线的延时以达到控制所有传输线传输同步的目的。

有益效果

本发明是在传输线长度不变的情况下，通过调整等效介电常数来实现对传输线传输延时皮秒级的调整，以达到信号传输同步的目的。实际测试的结果表明，该方法可以实现很好的信号传输的同步，与通过调整走线长度来实现对传输线间延迟控制的传统方法相比，提高了同步精度，达到了皮秒级的延时调整。

附图说明

图1为标准的四层pcb板的叠层图；

图2为器件A、B间多通道信号利用传统方法进行传输延迟调整的示意图；

图3为本发明中单根信号线，调整传输延时的去阻焊格的设计示意图；

图4为本发明多传输线利用介电系数进行传输延时调整的原理图；

图中，1-阻焊层、2-信号层、3-地层(铜箔)、4-FR4绝源层(基板)、5-直流电源层、6-板厚、7-器件A、8-器件B、9-铜箔传输线、10-去阻焊格、11-填充阻焊格、W-走线宽度、H-走线到参考平面的高度、T-走线厚度、L-为去阻焊格的长度、d-去阻焊格的宽度、s-相邻去阻焊格间的间隔，LineX表示传输线。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

假设有Line1，Line2两根走线，走线传输时延的调整精度要求为小于10ps，可调整的最大总时延为200ps。ε_b(板材的介电常数)为4.5，H(走线到参考平面的高度)为0.08mm，W(走线宽度)为0.13mm，T(走线厚度)为0.0254mm。

具体的实现步骤如下：

步骤1：依据经验值得具有阻焊情况下的印刷电路板结构的等效介电常数ε_r1＝4.5；

步骤2：依据经验值得去除阻焊情况下的印刷电路板结构的等效介电常数ε_r2＝3.5；

步骤3：系统要求的多通道间传输的最小传输延时调整Δ_D＝10ps，根据(7)式得去除阻焊空格的宽度d＝11.9mm

步骤4：按s≤d的原则取s＝5mm；

步骤5：按L≥信号走线宽带W的原则取L＝0.5mm；

步骤6：根据步骤3、4、5确定d、s、L，每隔s设计长为L，宽为d的去阻焊格，如图3所示。因每个去阻焊空格可以调整10ps延时，而线间可调整的最大总时延为200ps，在Line1，Line2两走线上去阻焊空格的数量应大于20个，本例中取25个去阻焊空格；

步骤7：调试线路板，实际测试结果线Line2比线Line1延时多22ps，即t_D＝22pS。

步骤8：根据(8)式计算n＝2，则将Line1线上的两个去阻焊格填充阻焊剂，如图4所示。这样使得Line1线传输时延多了20ps，Line1、Line2两走线之间的误差缩短至2ps，小于10ps的指标要求。

Claims (1)

1、一种信号传输同步控制方法，其特征在于该方法主要包含以下步骤：

步骤一.依据 ${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{ri}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_b+{\mathrm{\&epsiv;}}_i}{2}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_b-{\mathrm{\&epsiv;}}_i}{2}{(1+\frac{12H}{W})}^{-\frac{1}{2}}+F-0.217({\mathrm{\&epsiv;}}_b-1)\frac{T}{\sqrt{\mathrm{WH}}}---\left(4\right)$

$F=\left\{\begin{array}{cc}0.02({\mathrm{\&epsiv;}}_b-1){(1-\frac{W}{H})}^2& \frac{W}{H}<1\\ 0& \frac{W}{H}>1\end{array}\right.---\left(5\right)$

式计算出或根据经验值得到具有阻焊情况下的印刷电路板结构的等效介电常数ε_r1；

其中，ε_ri为有效介电常数，ε_b是板材的介电常数，ε_i是板外阻焊剂或空气的介电常数，H是走线到参考平面的高度，W是走线宽度，而T是走线厚度；

步骤二.依据(4)、(5)计算出或根据经验值得到去除阻焊情况下的印刷电路板结构的等效介电常数ε_r2；

步骤三.根据设计系统要求的多通道间传输的最小传输延时调整要求，设此调整最小值要求为Δ_D，根据下式

${\mathrm{\&Delta;}}_D=\frac{x\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r1}}}{c}-\frac{x\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r2}}}{c}=\frac{x}{c}(\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r1}}-\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r2}})---\left(6\right)$

其中，x为传输线长度

求出计算调整延时所使用的去除阻焊空格的宽度d

$d=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_D\&times;c}{(\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r1}}-\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{r2}})}---\left(7\right)$

其中，c为光速，c＝3×10⁸m/s；

步骤四.按相邻去阻焊格间的间隔s≤d的原则确定s的数值；考虑到实现工艺的原因，一般取s≥1mm，d为去阻焊格的宽度；

步骤五.去阻焊格长度L的尺寸按L≥信号走线宽带W进行确定；

步骤六.根据上述步骤三、四、五确定的d、s和L，每隔s设计一个长为L、宽为d的去阻焊格，去阻焊格的数量可以按照略大于需要调整的最大总时延要求确定；

步骤七.在线路板调试时，根据实际测试结果，确定传输线间需要调整的延时t_D；

步骤八.根据下式计算出需要填充阻焊剂的去阻焊格的数目n，对需要增加延时的信号走线，将走线上的n个去阻焊空格填充上阻焊剂，

$n=\frac{t_D}{{\mathrm{\&Delta;}}_D}---\left(8\right)$

一次调整完成后，进行延时测试，若仍然不满足要求，可重复步骤七和步骤八，直至达到满意的结果；

若需对多条传输线进行调整，可通过控制每两条传输线的延时以达到控制所有传输线传输同步的目的。

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