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均匀传输线

由于系统的规模，我们遇到的很多数系统都需要当作分布系统来考虑。为了保证信号质量、实现信号完整性对分布系统就需要采用阻抗可控的微带线、带状线结构，并且进行端接。

那么是不是只有微带线、带状线是阻抗可控的，还有其它的结构可以采用吗？这些阻抗可控的导线具有什么样的性质？我们怎么利用它进行设计？

这些阻抗可控的导线都属于传输线。常见的传输线还包括双绞线（网线）、同轴电缆、微带线、带状线。根据前面的规则，导线本身需要当作分布系统来考虑的情况都属于传输线。

几何参数均匀、介质均匀，这就是均匀传输线的条件。均匀传输线有固定的阻抗，而且是阻性的。对于PCB而言这个阻抗是相对于参考平面的。也就是说，PCB传输线表现为并联在驱动器输出端和参考平面地阻性负载。对于分布系统而言，信号在传输线上传播延时不可忽略。这句话包含两个意思：1.同一传输线的不同分岔对信号的反射，这是引起复杂拓扑信号质量问题的原因；2.不同信号之间的传输延迟，这是时序约束走等长线的原因。

本文从实际应用的角度说明问题，避免冗余繁琐的理论论述。有关传输线更加系统的理论知识可以参考《高速数字设计》和《信号完整性分析》。

1.1        
铜中电子的传播速率

信号在传输线上的速率是多少，就是导线中电子的定向移动速率吗？不是。

根据电流公式：

q：电荷的电量；

n：单位体积内的电荷数；

s：导体的横截面积；

v：电荷的定向移动速率。

可以估算出电子的定向移动速率。对于直径1mm的铜导线，大约是1cm/s左右，这肯定不是信号的速率。

    导线中电子的定向移动速率与信号的传播速率没有关系。

1.2        
信号的传播速率

信号的传播速率不是导体中电子的定向移动速率，而是沿导体延伸方向传播的电磁场的传播速率。

电压信号就是信号路径与返回路径之间的电压差。当信号在传输线上传播时，两个路径之间就产生了电场，电场对距离的积累就形成了电压。电流（包括位移电流和传导电流）在信号路径和返回路径之间流动就形成了磁场。变化的电场和磁场以链状形式在空间中传播，传播的速率就是信号的传播速率。

根据麦克斯韦电磁理论电磁场的传播速度

：真空的绝对介电常数（绝对电容率）；

：介质的相对介电常数（相对电容率）；

：真空的绝对磁导率；

：介质的相对磁导率。

所以信号的传播速度在数量级上接近光速。对于一般的微带线大约是。

1.3        
传输线的特性

1.3.1       传输线的反射

没有经过端接的传输线会产生信号反射。对理想阶越信号的接收端波形如下：

图1 阶越信号的接收波形

应为驱动器有内阻，接收器接收到的波形会是向收敛。

1.3.2       上升沿斜率的影响

    信号的上升下降沿斜率会影响接收器信号的过冲幅度。在信号的上升下降时间大于传播往返时间时，低的上升下降沿斜率会减小接收器信号的过冲幅度。这是因为反射信号过早的返回抵消了部分发送信号的上升沿。

图2 阶越信号的接收波形

低的上升下降沿斜率对接收波形的影响就象低通滤波器的作用一样。这也是为什么多数情况下仿真波形或实测的波形的过冲比用反射图估算的小的原因。

1.3.3       选择性损耗

由于传输线的损耗，实际信号的传输过程还会受到一定程度的衰减。此处的损耗主要是传输线的交流电阻在起作用。频率越高衰减越大，所以可以称之为选择性衰减。这种衰减导致的结果就是使信号的边沿便圆滑。

在高速串行互联接口中，信号的频率越来越高。当信号频率达到GHz的数量级时，这将成为系统设计的主要困难之一。在测试领域有眼图的概念，就是为了分析选择性衰减对高速信号的影响。眼图就是用数字示波器的余辉模式把一段时间的波形叠加起来显示。看到的图形就象眼睛一样，所以叫做眼图。

                          图3 眼图的例子

1.4        
深入理解阻抗

    传输线的阻抗是相对于电压源而言的。通常情况下，和传输线的阻抗相比电源的内阻可以忽略。所以PCB设计中，保证电源内阻足够低情况下参考平面可以选任何一个电源平面层（包括地层）。

1.5        
PCB传输线阻抗公式

    另一侧是空气的PCB微带线阻抗近似公式：

，

：有效介电常数，对于微带线要考虑信号层另一侧空气的影响。

：信号层到参考平面层的距离。

：信号线的宽度。

：信号层铜箔的厚度。

    到两个参考平面距离相等的PCB带状线阻抗近似公式：

，

：有效介电常数。

：两个参考平面层之间的距离。

：信号线的宽度。

：信号层铜箔的厚度。

    如果忽略信号层铜箔的厚度，PCB传输线的特征阻抗与有关。这是多层PCB层叠方案设计的依据。