傳輸線理論

相較于低速設(shè)計(jì)，高速設(shè)計(jì)中的信號(hào)由于頻率高，信號(hào)的邊沿上升時(shí)間快，信號(hào)傳輸過(guò)程PCB各類組件的寄生參數(shù)影響增加，在接收端接收到的信號(hào)幅度會(huì)出現(xiàn)衰減，相位和時(shí)序會(huì)發(fā)生變化。

為了能對(duì)高速信號(hào)的傳輸過(guò)程精確描述，使信號(hào)在接收端能夠在其邏輯閾值內(nèi)對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行解析，傳輸線理論在這一類分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

作者說(shuō)，傳輸線就像高速公路一樣，需要滿足雙向車道不同方向的形成需求，類比高速信號(hào)，就是信號(hào)路徑與信號(hào)回流路徑。傳輸線由兩個(gè)金屬層及夾在兩個(gè)金屬層之間的電介質(zhì)絕緣層組成。在高速電路設(shè)計(jì)中有兩種常用的傳輸線，分別是微帶線和帶狀線，如下圖所示：

微帶線的模型

帶狀線的模型

由上圖可知，微帶線分布在PCB的最外層，一般只有一邊有參考平面，帶狀線分布在層內(nèi)，有兩個(gè)參考平面。

信號(hào)是以電磁波的形式進(jìn)行傳播的，對(duì)于高速電路的理解，要用電磁場(chǎng)的“電”和“場(chǎng)”的理論去理解，如下圖所示：

電磁場(chǎng)在空間的傳播及電磁空間分布

那么，當(dāng)傳輸介質(zhì)的物理特性發(fā)生變化時(shí)，電磁場(chǎng)的交替建立過(guò)程不能順利延續(xù)，電磁波就會(huì)改變傳輸方式，對(duì)外的表現(xiàn)就是出現(xiàn)信號(hào)的反射和串?dāng)_，也就出現(xiàn)了信號(hào)完整性的問(wèn)題。

信號(hào)的推進(jìn)過(guò)程

我們要知道電流永遠(yuǎn)都是一個(gè)回路，電流總是趨于流向阻抗低的路徑。作者說(shuō)信號(hào)的傳輸過(guò)程不是從發(fā)送端經(jīng)過(guò)傳輸線的信號(hào)發(fā)送路徑到達(dá)接收端，再?gòu)慕邮斩私?jīng)過(guò)返回路徑返回到發(fā)送端，而是信號(hào)在傳輸線周圍空間形成交變的電磁場(chǎng)。

信號(hào)在發(fā)送路徑和返回路徑之間建立電磁場(chǎng)，從而使得兩導(dǎo)線之間會(huì)產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓是沿著傳輸線逐步向前推進(jìn)的。如下圖所示為信號(hào)的推進(jìn)過(guò)程：

信號(hào)的推進(jìn)過(guò)程

信號(hào)的推進(jìn)過(guò)程可以看成是給發(fā)送路徑和返回路徑之間的一個(gè)個(gè)電容器充電的過(guò)程，信號(hào)每向前移動(dòng)一段，就要把一些正電荷加到發(fā)送電路，加一些負(fù)電荷到接收線路上。那么在恒定時(shí)間t內(nèi)就有恒定的電量Q流出，就可以得到恒定的電流。

信號(hào)的電壓由信號(hào)源決定，而電流的大小取決于每步長(zhǎng)度的電容和電容充電時(shí)間的長(zhǎng)短，這和信號(hào)每步感受到的阻抗相關(guān)，這個(gè)阻抗稱為瞬態(tài)阻抗。如果信號(hào)在傳輸過(guò)程的每一步瞬態(tài)阻抗都相同，那么稱該傳輸線為可控阻抗的傳輸線。這是傳輸線的一個(gè)重要特性，稱為特性阻抗。

影響特性阻抗的因素

影響特性阻抗的主要因素有線寬、介質(zhì)厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、PCB走線的銅皮厚度和PCB走線距離參考平面（信號(hào)回流平面）的距離。實(shí)際的傳輸線還存在信號(hào)損耗，主要包含阻性損耗、介質(zhì)損耗、相鄰耦合損耗、反射損耗和輻射損耗。

審核編輯：劉清