信號(hào)完整性-傳輸線的結(jié)構(gòu)

11.1 傳輸線的定義

傳輸線是一種新的理想電路元件。它與前面介紹過的電阻器、電容器和電感器這3種理想電路元件的特性大不相同。傳輸線有兩個(gè)非常重要的特征：特性阻抗和時(shí)延。信號(hào)與傳輸線的相互作用比較特別，它和其他3種理想電路元件與信號(hào)的相互作用截然不同。

在有些情況下，也可以由C和L的組合去近似理想傳輸線的電氣特性。但是，理想傳輸線的性能與實(shí)際測(cè)量到的互連性能非常吻合。而且，它的帶寬要比LC近似電路高得多。如果將理想傳輸線這個(gè)電路元件添加到工具箱中，就能明顯增強(qiáng)我們描述信號(hào)與互連相互作用的能力。

傳輸線由任意兩條有一定長度的導(dǎo)線組成。其中一條標(biāo)記為信號(hào)路徑，另一條標(biāo)記為返回路徑。同軸電纜是一種傳輸線，多層板中的PCB線條也是一種傳輸線。

11.2 返回路徑

一般而言，接地一詞預(yù)留給了電路中其電位比任何其他節(jié)點(diǎn)都更低的那部分導(dǎo)體。測(cè)量的只是電位差。當(dāng)選擇地節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)時(shí)，電路中的其他節(jié)點(diǎn)都處于較高的電平。

通常，傳輸線中的另一條線被稱為地線。將第二條線當(dāng)成地，所引出的問題要比解決的問題多得多。相反，使用返回路徑這一術(shù)語是一個(gè)良好的習(xí)慣。在信號(hào)完整性的設(shè)計(jì)過程中，引起麻煩的一種常見原因就是濫用“地”這個(gè)詞。我們應(yīng)該習(xí)慣地把其他導(dǎo)體看成返回路徑，這是非常有益的。

當(dāng)把另一條路徑當(dāng)成地時(shí)，我們通常會(huì)把它看成公共的電流低洼處。返回電流流入這里，又從這里流向其他接地處。這是一種完全錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。返回電流是緊靠著信號(hào)電流的。高頻時(shí)，信號(hào)路徑和返回路徑的回路電感要最小化，這就意味著只要導(dǎo)體的情況允許，返回路徑會(huì)盡量靠近信號(hào)路徑分布。

再者，返回電流并沒有指定返回導(dǎo)體上的絕對(duì)電壓值。實(shí)際的返回導(dǎo)體可能是個(gè)電壓平面，如Vcc或Vpp平面；而有時(shí)又是一個(gè)低電壓平面。過去的原理圖設(shè)計(jì)中，人們將它標(biāo)記為地節(jié)點(diǎn)，與以傳輸線形式傳播的信號(hào)完全無關(guān)。所以將其稱為返回路徑，將來就會(huì)免除很多麻煩。

電流總是在回路中流動(dòng)的。如果一些電流流向別處，那么它一定會(huì)返回到源端。

一旦信號(hào)輸入傳輸線，信號(hào)就以波的形式，以光速沿線向下傳播，而電流就在信號(hào)路徑、線電容和返回路徑組成的回路中流動(dòng)。

由于趨膚效應(yīng)，信號(hào)電流只分布在導(dǎo)體的表面；第二，返回路徑中的電流分布擠近信號(hào)路徑下面，而且正弦波頻率越高，電流分布越擠近。

當(dāng)頻率增加時(shí)，返回路徑上的電流選擇阻抗最低的路徑。這種情況等價(jià)于選擇回路電感最低的路徑，即返回電流必將盡量靠近信號(hào)電流。頻率越高，返回電流直接在信號(hào)電流下面流動(dòng)的這種趨勢(shì)就越明顯。即使在10 MHz時(shí)，回路的電流也是高度擠近的。

通常在頻率高于100kHz時(shí)，絕大部分返回電流直接在信號(hào)路徑下面流動(dòng)。無論信號(hào)路徑是彎曲的還是拐直角彎的，平面上的返回電流都會(huì)跟隨它。因?yàn)椴捎眠@種回路，信號(hào)路徑與返回路徑之間的回路電感就會(huì)保持最小。

任何妨礙返回電流靠近信號(hào)電流的因素，例如返回路徑上有一個(gè)間隙，都會(huì)增加回路電感，并增加信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗，這將引起信號(hào)的失真。

11.3 信號(hào)

當(dāng)信號(hào)沿傳輸線傳輸時(shí)，需要同時(shí)用到信號(hào)路徑和返回路徑。所以，在確定信號(hào)與互連之間的相互作用時(shí)，兩條導(dǎo)線是同等重要的。

當(dāng)兩條線一樣時(shí)，如雙絞線，信號(hào)路徑與返回路徑?jīng)]有嚴(yán)格的區(qū)分，即可以指定任意一條為信號(hào)路徑，而另一條為返回路徑。如果兩條導(dǎo)線不相同，如微帶線，則通常把較窄的那條稱為信號(hào)路徑，而把平面稱為返回路徑。

把信號(hào)接入傳輸線時(shí)，它就以材料中的光速在導(dǎo)線中傳輸。在信號(hào)加入傳輸線一段時(shí)間之后，可以暫時(shí)把時(shí)間停滯下來，并沿著傳輸線測(cè)量信號(hào)的大小。信號(hào)總是指信號(hào)路徑和返回路徑之間相鄰兩點(diǎn)的電壓差，如上圖所示。

如果知道信號(hào)感受到的阻抗，根據(jù)信號(hào)電壓大小就能計(jì)算出電流。從這個(gè)意義上講，信號(hào)可以被定義成電壓或電流。

重要的是，應(yīng)該區(qū)分并關(guān)注信號(hào)線上的電壓及傳播中的信號(hào)。傳播中的信號(hào)就是電壓沿傳輸線行進(jìn)中的動(dòng)態(tài)模式。

當(dāng)信號(hào)走過傳輸線上的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，示波器探頭測(cè)得的信號(hào)電壓就是其幅度值。但是，如果傳輸線上有多個(gè)信號(hào)朝著不同的方向傳播，這時(shí)的示波器探頭就無法將其區(qū)分開。所測(cè)得的電壓與傳播的信號(hào)不再相同。

11.4 均勻傳輸線

可以按傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸線加以分類。幾何結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)基本特征完全決定了傳輸線的電氣特性：導(dǎo)線沿線橫截面的均勻程度，兩條導(dǎo)線的相似度和對(duì)稱程度。

如果導(dǎo)線上任意一處的橫截面都相同，比如同軸電纜，則稱這種傳輸線為 均勻傳輸線 。下圖給出了幾種均勻傳輸線的示例。

我們知道，均勻傳輸線也稱為 可控阻抗傳輸線 。傳輸線的種類很多，如雙絞線、微帶線、帶狀線和共面線等。

如果傳輸線是均勻的或阻抗可控的，反射就會(huì)減小，信號(hào)的質(zhì)量也就會(huì)更優(yōu)。所有的高速互連都必須設(shè)計(jì)成均勻傳輸線。

在整條導(dǎo)線中，如果幾何結(jié)構(gòu)或材料屬性發(fā)生變化，傳輸線就是不均勻的。例如，如果兩條導(dǎo)線的間距是變化的，而不是恒定的，它就是非均勻傳輸線。連接器的相鄰線條通常是非均勻傳輸線，印制電路板上的線條如果沒有返回路徑平面，則很可能也是非均勻傳輸線。非均勻傳輸線除非線條走線足夠短，否則就會(huì)引起信號(hào)完整性問題，所以應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生。

在信號(hào)完整性的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，其中一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是：將所有互連都設(shè)計(jì)成均勻傳輸線，并減小所有非均勻傳輸線的長度。

影響傳輸線的另一個(gè)幾何參數(shù)就是兩條導(dǎo)線的相似程度。如果兩條導(dǎo)線的形狀和大小都一樣，即它們是對(duì)稱的，就稱這種傳輸線為 平衡傳輸線 。雙絞線的每條導(dǎo)線看起來都是一樣的，因此它是對(duì)稱的，所以是一種平衡傳輸線。共面線是在同一層并列的兩條窄帶線，它也是一種平衡傳輸線。

同軸電纜是非平衡傳輸線，因?yàn)樗?a target="_blank">中心導(dǎo)線要比外面的導(dǎo)線細(xì)。微帶線也是一種非平衡傳輸線，因?yàn)閮蓷l導(dǎo)線的寬度不一樣，其中一條比較窄，另一條比較寬。同理，帶狀線也是非平衡傳輸線。

一般而言，絕大多數(shù)傳輸線，無論是平衡的還是非平衡的，它們對(duì)信號(hào)的質(zhì)量和串?dāng)_效應(yīng)都不會(huì)造成什么影響。然而，返回路徑的具體結(jié)構(gòu)將嚴(yán)重影響地彈和電磁干擾問題。

無論傳輸線是均勻的還是非均勻的，是平衡的還是非平衡的，它都只有一個(gè)作用：在可接受的失真度下，把信號(hào)從一端傳輸?shù)搅硪欢恕?/p>

11.5 傳輸線上信號(hào)的速度

導(dǎo)線周圍的材料、信號(hào)在傳輸線導(dǎo)體周圍空間形成交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的建立速度和傳播速度，決定了信號(hào)的傳播速度。

如上圖所示，信號(hào)就是信號(hào)路徑與返回路徑之間的電壓差。當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，兩條導(dǎo)線之間就會(huì)產(chǎn)生電壓差，而這個(gè)電壓差又使兩條導(dǎo)線之間產(chǎn)生電場(chǎng)。

除了電壓，電流也必然在信號(hào)導(dǎo)體和返回導(dǎo)體中流動(dòng)。這樣，兩條導(dǎo)線帶上了電荷，產(chǎn)生了電壓差，進(jìn)而建立了電場(chǎng)，流過導(dǎo)體的電流回路產(chǎn)生了磁場(chǎng)。

簡單地把電池兩端分別接到信號(hào)路徑和返回路徑上，就能把信號(hào)加到傳輸線上。突變的電壓產(chǎn)生突變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種場(chǎng)鏈在傳輸線周圍的介質(zhì)材料中，以變化電磁場(chǎng)的速度(即材料光速)傳播。

實(shí)際上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)建立的快慢決定了信號(hào)的速度?；蛘哒f，只要電場(chǎng)和磁場(chǎng)在變化，它們形成的場(chǎng)鏈就向外傳播，其速度取決于一些常數(shù)和材料特性。

電磁場(chǎng)變化(或場(chǎng)鏈)的速度v由下式得到：

其中，ε_(tái)0表示自由空間的介電常數(shù)(為8.89×10^?12F/m)，ε_(tái)r表示材料的相對(duì)介電常數(shù)，μ_0表示自由空間的磁導(dǎo)率(4π×10^?7H/m)，μ_r表示材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。

空氣中的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率都為1，光的速度約為12 in/ns。實(shí)際上，幾乎所有互連材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μ_r都為1。所有不含鐵磁體材料的聚合物其磁導(dǎo)率都為1。

相比之下，除了空氣，其他材料的介電常數(shù)ε_(tái)r總是大于1。所有實(shí)際互連材料的介電常數(shù)都大于1，這說明互連中的光速總是小于12 in/ns，其速度為 v=12/√ε_(tái)r in/ns 。

絕大多數(shù)互連中的光速約為 (12 in/ns)/√4=6 in/ns 。當(dāng)估算電路板互連中的信號(hào)的速度時(shí)，就可以假定它約為6 in/ns。

時(shí)延T_D與互連長度的關(guān)系：T_D=Len/v 。其中，Len表示互連長度(單位為in)，v表示信號(hào)的速度(單位為in/ns)。

這說明，當(dāng)信號(hào)在FR4上長為6 in的互連中傳輸時(shí)，時(shí)延約為6 in/(6 in/ns)，即約為1ns。如果傳輸長度為12 in，則時(shí)延為2 ns。

線延遲 ，即每in長度互連時(shí)延的ps數(shù)，也是一個(gè)非常有用的度量單位。它就是速度的倒數(shù)1/v。對(duì)于FR4，其線延遲約為1/6 in/ns=0.166 ns/in，或者170 ps/in。