PCB走線技術(shù)：單獨一根導線可以傳輸信號嗎？

單獨一根導線可以傳輸信號嗎？有人可能會有疑問：貌似我們經(jīng)常碰到當懷疑PCB走線有問題，然后把線刮斷再從外面飛根線就沒問題了，此時飛線不就是一根嗎？怎么就可以傳輸信號了呢？其實這里忽略了一點，雖然在外面飛了根線，但PCB上面還有其他的平面，這個平面就相當于返回路徑，和我們的PCB上單端信號一樣，信號管腳之間連接確實只有一根，但如果沒有地平面，那么信號是傳輸不了的，這個地平面就構(gòu)成了返回路徑。所以我們把由任意兩條有一定長度的導線組成的線路結(jié)構(gòu)叫做傳輸線，其中一條是信號路徑，另一條是返回路徑，兩者缺一不可且作用同等重要。

傳輸線的種類很多，如均勻傳輸線、非均勻傳輸線、平衡傳輸線和非平衡傳輸線等，不勝枚舉，但通常我們接觸的都是均勻傳輸線，也叫可控阻抗傳輸線，如雙絞線、同軸電纜、微帶線、帶狀線和共面線等。前面說了傳輸線有兩條，當兩條線一樣時，如雙絞線，信號路徑與返回路徑?jīng)]有嚴格的區(qū)分；如果兩條線不相同，如微帶線，則通常把較窄的那條稱為信號路徑，而把平面稱為返回路徑，如下圖一所示。這里需要注意，很多時候我們可以把地叫返回路徑，但卻不能把返回路徑叫地，因為返回路徑也有可能是其他信號，所以地不是絕對的概念，但返回路徑卻是，返回路徑的叫法更廣泛。

圖一 傳輸線示圖

在PCB中，最常見的均勻傳輸線有微帶線、帶狀線和共面線，同時它們也可以叫非平衡傳輸線（共面線也有歸為平衡傳輸線的情況），因為這些傳輸線的兩條導線寬度不一樣，但無論傳輸線是均勻的還是非均勻的，平衡的還是非平衡的，它們的最終作用都是一樣，那就是在可接受的失真度下，保證信號的正確傳輸。

說到微帶線和帶狀線，大家的第一反應大概是在表層的叫微帶線，在內(nèi)層的叫帶狀線，是不是這樣呢？

其實這個只是表面的理解，也就是表面現(xiàn)象，那它們的本質(zhì)區(qū)別是什么呢？相信很多參加過我們研討會的童鞋都知道，那就是看它們有幾個參考層，這個才是正解，因為有些走線如嵌入式微帶線雖然是在內(nèi)層，但它卻不是帶狀線。

好吧，看看下面的微帶線和帶狀線示圖。

它們都是均勻的或可控阻抗傳輸線，這個阻抗與線寬、線的厚度、線到參考的高度以及線路周圍介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。經(jīng)常有人這樣問：你們的阻抗是在多高頻率下測試的？這個問題真是難住我了！我竟一時無言以對！這個問題和類似的“信號到了較高頻以后，阻抗會影響很大”其實差不多，不是不太懂就是操心太多。其實前面已經(jīng)講了阻抗和哪些因素相關(guān)，這些因素中唯一和頻率相關(guān)的就是介質(zhì)的介電常數(shù)。我們現(xiàn)在多數(shù)PCB用的是FR4介質(zhì)，該類型的介質(zhì)介電常數(shù)一般隨頻率的升高而變小，但一般這個變化范圍不會太大，在40GHz內(nèi)不會超過0.5（好的材料會在0.2以內(nèi)），如果超過了則代表這種材料穩(wěn)定性很差，一般人也不會選擇，尤其是到了很高速的情況下，大家也都不是傻子。既然介電常數(shù)變化不大，那么這個阻抗也就在一定的頻率范圍內(nèi)偏差不大了（除非材料本身出了問題），所以還是多操心在其他的方面，比如制板及工藝控制等的偏差吧。

與介電常數(shù)相關(guān)的，除了傳輸線的阻抗，其實另一個問題大家也會經(jīng)?；煜?，那就是傳輸線的時延。經(jīng)常會有人問：我的這個信號速率（頻率）升高了，那么它就跑得更快了，對應的時延就更小了，是這樣嗎？呵呵，我又無言以對了！

這里把信號的速率（頻率）和信號的傳輸速度混淆了，信號的速率（頻率）是信號本身的特征，代表輸出信號的信號源內(nèi)部電路的翻轉(zhuǎn)頻率，就像不同的車子有不同的車速一樣，這個取決于車子本身的發(fā)動機性能；而信號的傳輸速度則接近光速在介質(zhì)中的傳播速度，因為信號的傳播方式是以電磁場的形式傳播，這個傳播速度與信號本身的速率無關(guān)，只與PCB的介質(zhì)材料相關(guān)，最直接的影響就是相對介電常數(shù)，信號的傳輸速度可以大致由下列公式得到：

其中，ε0是自由空間的介電常數(shù)（）， εr是材料的相對介電常數(shù)，μ0是自由空間的導磁率（）， μr是材料的相對導磁率，通常為1。

所以上面公式可以近似為，相當于光速除以材料的相對介電常數(shù)的平方根，而時延Td=線長Len/v，那么這個時延和材料的相對介電常數(shù)就正相關(guān)了。不同材料的時延不一樣，一般高速板材（低損耗板材）的相對介電常數(shù)較低，時延會相對小。時延到底和頻率有沒有關(guān)系呢？就像上面阻抗和頻率的關(guān)系一樣，取決于介電常數(shù)的偏差，通常這個偏差不會太大，所以一般也不用太過焦慮。不過有一點不容忽視，就是介電常數(shù)還會受高低溫及濕度的影響，當材料本身的性能不穩(wěn)定，這個偏差就會稍微大一點，此時一旦系統(tǒng)的設(shè)計裕量不足，那么就會出現(xiàn)一些產(chǎn)品在高低溫的情況下出現(xiàn)問題，這個時候又回到了裕量上面，靠譜的設(shè)計才是保證裕量的基本條件。

小結(jié)一下，關(guān)于傳輸線，需要知道的是信號路徑和返回路徑是傳輸線的基本構(gòu)成，兩者作用均等缺一不可，同時阻抗和時延是傳輸線的兩個非常重要的特征，后面涉及到的反射、串擾及時序等都和它們關(guān)系密切。

編輯：hfy