信號完整性基礎(chǔ)--傳輸線（一）

從今天開始將會為大家陸續(xù)分享《信號完整性》相關(guān)知識，包括理論知識、仿真工具實操等。歡迎感興趣的同學(xué)加入進(jìn)來一起探討交流。當(dāng)然，我的分享更加側(cè)重經(jīng)驗結(jié)論和工程實踐性，因此舍去了很多復(fù)雜的推導(dǎo)過程。如果有想了解具體推導(dǎo)過程的，可以留言，我會單獨出文章介紹。更多精彩內(nèi)容請關(guān)注微信公眾號：工程師說硬件。

接下來開啟今天的第一章節(jié)傳輸線相關(guān)知識的講解。

01基本概念

（1）簡單來說，傳輸線就是提供信號傳輸和回流的一組導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。常見的傳輸線有雙絞線，同軸線，PCB走線中的微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)，如圖1所示結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1常見傳輸線結(jié)構(gòu)示意圖

（2）入射電流和返回電流大小相等，方向相反。返回電流是通過磁場耦合產(chǎn)生的，當(dāng)具有多個返回路徑時，返回路徑與信號的距離很大程度上決定了返回電流的大小。如圖2、3所示ADS仿真實驗：入射電流、臨近線和參考平面返回電流。

圖2、3ADS仿真：入射電流、臨近線和參考平面返回電流

（3）參考平面一定要是GND嗎？這是困擾很多工程師尤其是小白的一個問題。參考平面為信號回流提供返回路徑，只要是導(dǎo)體就行，對于電氣網(wǎng)絡(luò)理論上并無要求。比如，常見的DDR走線設(shè)計中，一般都用電源層作為DDR信號的參考平面。

那么為什么大多數(shù)的設(shè)計仍然竭力尋求用GND作參考平面？第一，因為多數(shù)芯片設(shè)計中高速信號都是參考地網(wǎng)絡(luò)，如果中途使用電源作為部分參考平面，不可避免會遇到跨平面分割的問題，可能造成信號阻抗不連續(xù)，進(jìn)而影響信號質(zhì)量；第二，則是避免EMI問題。

如圖4所示，信號在第一層時參考了GND平面，在第四層時，參考了POWER平面，信號回流最終通過電容耦合回到GND，形成了完整的回流路徑。但由于去耦電容位置擺放的問題可能會增大信號的回流面積，從而影響信號質(zhì)量，所以對于多數(shù)高速信號，參考GND是比較好的選擇。

圖4 參考平面選擇

02時域和頻域

時域用以描述波形隨著時間的變化；頻域則是時域?qū)?yīng)的數(shù)學(xué)變換，用以表示波形的幅度。

周期信號可以分解為一系列余弦信號的疊加（傅里葉級數(shù)展開），疊加次數(shù)越多，波形越陡峭。如圖5、6所示不同邊沿時域波形的頻域展開。

頻域中低頻分量影響幅度，高頻分量影響邊沿。因此評估信號的帶寬取決于信號的邊沿時間，而不是頻率。

圖5、6 ADS仿真：不同邊沿下時域波形和頻域級數(shù)展開

03高速信號定義與帶寬

（1）定義：通常邊沿時間小于4~6倍傳輸延時的信號稱為高速信號。

以6倍為例：100ps上升沿信號，信號在FR4板材傳輸速率通常為6mil/ps。所以當(dāng)信號走線長度>(100ps/6*6mil/ps=100mil)時，該信號為高速信號。

（2）當(dāng)信號走線很短或上升沿很緩，不構(gòu)成達(dá)到高速信號的條件時，這些信號線遇到阻抗不匹配或是其他情況，對波形質(zhì)量影響很小。如圖7、8所示，不同邊沿和走線長度對信號的影響。

圖7、8 ADS仿真：不同邊沿和走線長度對信號的影響

（3）帶寬估算經(jīng)驗法則：0.35/tr，例：上升時間100ps的信號，帶寬約為3.5GHz；某些要求嚴(yán)格的場合，計算公式可?。?.5/tr。

1、濾波器的設(shè)計中，經(jīng)常使用到帶寬概念；

2、對高速信號進(jìn)行參數(shù)提取的時候必須考慮導(dǎo)信號的帶寬，合理的帶寬能降低軟件的計算時間，同時保證信息的準(zhǔn)確性。

圖910G信號不同提取帶寬下的波形展示