信號(hào)完整性之傳輸線理論

信號(hào)完整性，其中最難理解的應(yīng)該就屬傳輸線理論了。怎么突然隨著頻率的增加，導(dǎo)線的阻抗就跟C和L扯上關(guān)系了。

傳輸線，也就是傳輸信號(hào)的兩條線，而且一定是兩條有一定長度的導(dǎo)線組成，而且兩條線之間一定要有電壓差。

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只要是傳輸信號(hào)，那么必須要有返回路徑，但是在平常我們都是用地來表達(dá)這條傳輸路徑。要從概念上分清楚，我們盡量要少用地這個(gè)概念來理解，而使用返回路徑，當(dāng)然其實(shí)返回路徑和信號(hào)路徑是一個(gè)相對概念，可以互換理解，但是我們習(xí)慣把驅(qū)動(dòng)器到終端的方向稱為信號(hào)線，另一條為返回路徑。返回路徑是引起信號(hào)完整性的原因之一，而且如果返回路徑設(shè)計(jì)不好，很容易產(chǎn)生EMC問題。

首先我們要把握傳輸線，這是一種分散元器件而不能像集總器件哪里來處理。但是我們可以用理想的集總元件來模擬仿真，這在后面提到。應(yīng)該明白傳輸線最重要的兩個(gè)特征：特征阻抗和延時(shí)。（延時(shí)就是信號(hào)傳到末端所需要的時(shí)間，跟信號(hào)的傳輸速度有關(guān)）。在理解傳輸線測試的時(shí)候，我們一定要明白的知道，測試的是傳輸線上那個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，因?yàn)閭鬏斁€是分布式器件，因此同一時(shí)刻，每個(gè)點(diǎn)的信號(hào)參數(shù)是不一樣，而不像集總元件一樣。

均勻傳輸線，均勻傳輸線，也就是橫截面大小保持不變（信號(hào)路徑和返回路徑都是），當(dāng)然周圍的介電系數(shù)也不變化。

信號(hào)速度

? ? 信號(hào)的傳播速度不是電子的運(yùn)動(dòng)速度，而是電磁波的傳播速度，這一點(diǎn)在高中應(yīng)該學(xué)過。那么經(jīng)過偉大的麥克斯韋方程，通過解波動(dòng)方程我們可以知道：

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在不含導(dǎo)磁率的導(dǎo)體中，μr=1.帶入常數(shù)，可得經(jīng)驗(yàn)公式

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那么這時(shí)候我們就可以得到信號(hào)的延時(shí)了TD=Len/υ .

理解傳輸線，首先理解分布電容和電感。因?yàn)樾盘?hào)線產(chǎn)生的電磁場會(huì)返回路徑或者其他信號(hào)線（甚至是和真正的大地，有時(shí)候我們可以把整個(gè)地球看成是一個(gè)電子海組成的大導(dǎo)體）形成電容。有電流就會(huì)有磁場，所有導(dǎo)體都具有電感

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這個(gè)就是信號(hào)行走的過程，在信號(hào)沒有達(dá)到的地方是沒有電荷的。因此這里就有一個(gè)瞬時(shí)阻抗的問題，這條導(dǎo)線上，明顯電壓是不同的。信號(hào)在導(dǎo)線和返回路徑之間的電容不斷的充電或者放電。如果速度不變以及電容不變，所以充電時(shí)間一樣電流就不變，電壓取決于信號(hào)源，電流取決于每步長的電容和充電時(shí)間（速度）。公式推導(dǎo)如下（沒有損耗即不考慮漏電流和R）：

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也就是特征阻抗Z0=（L/C）1/2（或者叫做單位阻抗）這是一個(gè)物理量，又材料和結(jié)構(gòu)決定。其中C、L均為導(dǎo)線的單位電容和電感。保持C、L不變，每一小段的單位阻抗就不變，也就沒有信號(hào)反射回來。在具體電路中就表現(xiàn)為：橫截面積恒定不變，還有就是兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離也不變。一般我們都使Z0=50Ω.當(dāng)然Z0可以是任意值，知道是不變的，也就不會(huì)影響到信號(hào)的反射。為什么定在50Ω是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)跟天線和射頻有關(guān)。如果有興趣可以去參考這方面的資料書。瞬時(shí)阻抗一般等于Z0，主要看在某一時(shí)刻，信號(hào)感受到的信號(hào)U和電流I的比。

返回路徑，開始就強(qiáng)調(diào)了地和返回路徑的概念。不過在實(shí)際中，返回路徑基本上就是地。但是從傳輸線理論里面分清楚比較好。

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電流經(jīng)過返回路徑流回源端，這僅僅與瞬時(shí)環(huán)境和信號(hào)前沿所在的那一段傳輸線有關(guān)，所以也只有在信號(hào)的前沿處才有電流從分布式電容流回源端。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，返回路徑其實(shí)就是參考平面（也就是瞬時(shí)環(huán)境，參考平面和信號(hào)線之間只要有電容），位于不同層，且與信號(hào)走線重疊的平面導(dǎo)體，都可以和信號(hào)線一起構(gòu)成傳輸線結(jié)構(gòu)，這和平面導(dǎo)體的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)無關(guān)，不論是這個(gè)平面導(dǎo)體的網(wǎng)絡(luò)是GND或者是VCC還是鼓勵(lì)不連接的任何網(wǎng)絡(luò)銅皮。

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不過驅(qū)動(dòng)器受到的阻抗主要還是信號(hào)路徑和與之最近的平面構(gòu)成傳輸線的阻抗決定，而與實(shí)際連接在驅(qū)動(dòng)器返回端的平面無關(guān)（也就是上圖中平面2決定阻抗，至于平面而是什么網(wǎng)絡(luò)就無所謂的了）。

其中電流分布

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過孔信號(hào)線的返回路徑。這里就有個(gè)地方要主要，返回路徑的阻抗就是兩個(gè)平面之間的容性耦合電容，如果產(chǎn)生了較大的返回路徑阻抗，就會(huì)引起地彈噪聲。一般減小返回平面的阻抗是相鄰放置，而且平面之間介質(zhì)盡量薄（耦合電容越大，根據(jù)Z=Len*（L/C）1/2,單位特征阻抗乘以長度就是總阻抗）C越大Z越小。

【幾條減小地彈的經(jīng)驗(yàn)：1、設(shè)法在信號(hào)路徑切換層是，讓其相鄰的參考平面具有相同的電壓；這時(shí)候在切換參考平面之間打短路過孔并靠近信號(hào)過孔；2、具有不同直流電壓的參考平面之間的距離應(yīng)該盡量??；3擴(kuò)大相鄰切換過孔的距離，一面初始瞬間當(dāng)返回路徑的阻抗很高是，返回電流疊加在一起】

傳輸線一階模型：

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這里又有一個(gè)推導(dǎo)問題:傳輸線延時(shí)TD=（CtatolLtatol）1/2=Len*（CL）1/2=Len/υ.因此速度υ=1/（CL）1/2.這個(gè)公式和前面的速度公式經(jīng)?？梢曰Q使用。

【介電常數(shù)=4的50Ω傳輸線，其單位長度電容都相同，約為3.3pF/in】