信號(hào)完整性基礎(chǔ)--傳輸線（一）

從今天開(kāi)始將會(huì)為大家陸續(xù)分享《信號(hào)完整性》相關(guān)知識(shí)，包括理論知識(shí)、仿真工具實(shí)操等。歡迎感興趣的同學(xué)加入進(jìn)來(lái)一起探討交流。當(dāng)然，我的分享更加側(cè)重經(jīng)驗(yàn)結(jié)論和工程實(shí)踐性，因此舍去了很多復(fù)雜的推導(dǎo)過(guò)程。如果有想了解具體推導(dǎo)過(guò)程的，可以留言，我會(huì)單獨(dú)出文章介紹。更多精彩內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào)：工程師說(shuō)硬件。

接下來(lái)開(kāi)啟今天的第一章節(jié)傳輸線相關(guān)知識(shí)的講解。

01基本概念

（1）簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳輸線就是提供信號(hào)傳輸和回流的一組導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)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(jiàn)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(guò)磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的，當(dāng)具有多個(gè)返回路徑時(shí)，返回路徑與信號(hào)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(shí)驗(yàn)：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(gè)問(wèn)題。參考平面為信號(hào)回流提供返回路徑，只要是導(dǎo)體就行，對(duì)于電氣網(wǎng)絡(luò)理論上并無(wú)要求。比如，常見(jiàn)的DDR走線設(shè)計(jì)中，一般都用電源層作為DDR信號(hào)的參考平面。

那么為什么大多數(shù)的設(shè)計(jì)仍然竭力尋求用GND作參考平面？第一，因?yàn)槎鄶?shù)芯片設(shè)計(jì)中高速信號(hào)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(huì)遇到跨平面分割的問(wèn)題，可能造成信號(hào)阻抗不連續(xù)，進(jìn)而影響信號(hào)質(zhì)量；第二，則是避免EMI問(wèn)題。

如圖4所示，信號(hào)在第一層時(shí)參考了GND平面，在第四層時(shí)，參考了POWER平面，信號(hào)回流最終通過(guò)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(wèn)題可能會(huì)增大信號(hào)的回流面積，從而影響信號(hào)質(zhì)量，所以對(duì)于多數(shù)高速信號(hào)，參考GND是比較好的選擇。

圖4 參考平面選擇

02時(shí)域和頻域

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

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

頻域中低頻分量影響幅度，高頻分量影響邊沿。因此評(píng)估信號(hào)的帶寬取決于信號(hào)的邊沿時(shí)間，而不是頻率。

圖5、6 ADS仿真：不同邊沿下時(shí)域波形和頻域級(jí)數(shù)展開(kāi)

03高速信號(hào)定義與帶寬

（1）定義：通常邊沿時(shí)間小于4~6倍傳輸延時(shí)的信號(hào)稱為高速信號(hào)。

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

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

圖7、8 ADS仿真：不同邊沿和走線長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)的影響

（3）帶寬估算經(jīng)驗(yàn)法則：0.35/tr，例：上升時(shí)間100ps的信號(hào)，帶寬約為3.5GHz；某些要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，計(jì)算公式可?。?.5/tr。

1、濾波器的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用到帶寬概念；

2、對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行參數(shù)提取的時(shí)候必須考慮導(dǎo)信號(hào)的帶寬，合理的帶寬能降低軟件的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)保證信息的準(zhǔn)確性。

圖910G信號(hào)不同提取帶寬下的波形展示