原创 【转】传输线路与高速电路的设计1

前言
    类似CPU等超高速、高频电子组件相继问世，过去经常被忽视的整合问题，例如信号传输波形的优化，最近成为非常重要的课题之一。电子组件动作高速化使得封装上必需面对更多短期内不易获得解答的挑战，因此利用模拟分析作事前的检讨与对策，成为设计上不可欠缺的手法。所谓超高速、高频化具体而言例如PC、PDA、因特网、光通信、无线LAN等电子产品，事实上已经成为日常生活中的一部份，有鉴于此，接着要介绍信号传输线路的问题点，同时深入探讨高速电路的设计技巧。
　 
传输线路的电荷与电位分布
    线路传输高频信号时，线路长度与信号频率波长两者的微妙关系已经成为无法忽视的课题，例如传输线路会会因频率会呈现天线效应产生噪讯放射现象，进而影响电子机器正常动作等等。图1是每单位波长的传输线路特性，由图可知负载端出现的信号振幅与信号源的振幅相同时，信号的位相则呈现 延迟，假设该信号是高频波时，图1的振幅与位相会因传输线路的位置产生差异。虽然理想状态希望信号源的振幅、位相与负载端完全相同，不过高频波一旦产生上述差异时，就无法忽视两者的关系。
 
图1 传输线路的电荷与电位分布
    当传输线路长度增加时，即使是低频波同样会因信号波长产生与上述相同且无法忽视的问题，例如频率为1KHz时是300Km，依此推算祇要超过300Km，低频波也会产生相同的天线效应与噪讯干预现象。这正是影响导体长度的波长越来越高频化之后，传输线路的设计也越来越困难的主要原因。一般认为传输线路长度与波长的关系大约是1/100以上的，也就是说传输线路的长度低于波长的1/100以下，理论上就不会产生上述困扰，然而实际上不可能有如此长度的传输线路。
    如图1所示如果两线路之间产生电位差，两线路之间就会发生电界，随着电荷的变化就会出现高频波的流动(亦即电流)，它可视为磁界的变化，因此随着电界与磁界，行进波会流入负载端，如果传输线路的阻抗为不整合状态时，负载端就会产生反射波(亦即反射电力)，造成行进波与反射波相互干扰，进而在传输线路上形成类似静止状的波形山谷(亦即定常波)，使得传输线路具有频率特性。当传输线路为 时，干涉所产生的波长成为共振状态，传输线路就成为发射噪讯的天线，进而严重影响电子机器的正常动作，也就是说具有电界、磁界的高频波电流的流动所产生的电磁界，经常超越预料将强烈的电波放射至周围空间。

传输线路与反射系数
    如果将传输线路、信号源与负载端加以整合，就不会发生反射与信号劣化等问题。在高频波领域不能用低频波的思维将传输线路当作0奥姆阻抗，而是必需将它视为一种电子组件(特性阻抗ZoΩ)，也就是说传输高频信号整合时驱动侧的IC祇能见到传输线路的 负载，为了高速驱动特性阻抗Zo具有50～100Ω的负载，因此设计上必需考虑驱动能力所造成的负担。

【计算例1】
试算25pF的负载，1ns的时间内提升至5V时，驱动侧的需求电流。

电流I可由下式求得:
                       
亦即的变化越快所需的电流I也越多，相对的噪讯也越大。事实上电路要完全取得整合相当困难，反射所产生的阻抗不整合，会因信号源的电力未被负载消耗，变成反射波折返至信号源。由于反射波是朝着信号源的传输线路方向传播，随着传输线路的长度改变，信号源侧与负载侧的位相差异也越明显。
     一般而言该反射系数并非电力的反射系数，因此它是使用表示负载端入射波与反射波两者的比，亦即使用电压反射系数Γ表示，电压反射系数Γ可由下式求得:
 
亦即的变化越快所需的电流I也越多，相对的噪讯也越大。事实上电路要完全取得整合相当困难，反射所产生的阻抗不整合，会因信号源的电力未被负载消耗，变成反射波折返至信号源。由于反射波是朝着信号源的传输线路方向传播，随着传输线路的长度改变，信号源侧与负载侧的位相差异也越明显。
   实际上电路的负载 几乎不会是纯阻抗而是复素数，因此反射系数也成为复素数。

【计算例2】
 
由上述计算结果获得以下结论:
1.如果将负载的阻抗视为一定值时，反射系数会随着位置变化。
2.传输线路上距离负载端 位置的位相差会有 的差异。
3.反射系数会变成 的位相差。
换言之从信号源观之反射波比入射波延迟 ，因此反射系数是反复波长λ的1/2周期，而负载阻抗则呈现不断变化状态。
 
图2 传输线路与反射系数的互动关系

Strip line的信号延迟
图3是印刷电路板Strip line的特性阻抗Zo关系式与传播延迟时间 的关系式。假设电路板的条件分别是:
           
1.特性阻抗 的计算如下示:
 
2.传播延迟时间 的计算如下示:
 
由以上计算结果可知该印刷电路板的特性阻抗Z为5，印刷导线每1m会产生5.66ns的传播延迟时间。
 
图3 印刷电路板Strip line的特性阻抗Zo ，与传播延迟时间τ_d的计算公式
　

【计算例3】
试算长度为200mm strip line所构成的印刷电路板，从信号源到达负载所产生的信号延迟。

假设因传播造成的信号延迟时间为tpd，则tpd 的计算如下:
 
 
图4 信号的延迟时间
如果传输线路发生信号延迟时，其关系式可由传输线路的长度与数字信号站立时间，两者概括性关系求得:

      2Td>tr------------------------------(1)

也就是说2Td是信号在传输线路往返的时间，如果2Td比数位信号站立时间tr更大时就会产生问题，此时会因反射出现over shoot与跳动(bouncing)现象，成为电路误动作的因素之一。假设传输线路的长度为l时，信号延迟时间Td的关系可用下式表示:

     Td=τ_dx l--------------------------(2)

假设高速IC的传播延迟时间为1ns，往复线路的长度为200mm，从上述式(1)与式(2)与计算例3可知，线路的长度是造成传播延迟主要原因，因此必需进行阻抗整合，设法对策避免产生反射波。