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    传输线是一个非常基础的概念,只要是做电子产品的工程师,不管是做数字产品还是微波射频产品,每天都会接触到传输线。 我们把能引导电磁波传递的装置叫做传输线。所以传输线的类型非常多,如下图所示: 常见的传输线有双导体传输线、金属波导以及介质传输线。对于传统的数字电路的工程师而言,大家遇到的大多数是属于双导体传输线,比如微带线、带状线、共面波导线。之所以叫双导体,我们可以从这些传输线的结构看出来,既包含了传输的信号线导体,也包含了参考线导体(或地)以及介质。 实际PCB中的传输线如下图所示: 连接器中也包含各类传输线的结构,如下图所示红色高亮部分为一款SAS连接器中的传输线结构: 传输线还包括如下图所示各式各样的高速线缆: 传输线的等效电路模型如下图所示: 从电路上可以看到,传输线的模型中包含了等效电阻、等效电容、等效电感以及电导。 传输线又分为有损传输线和无损传输线(理想传输线),在日常工程中的传输线全部都是有损传输线。无损传输线仅用于简化一些复杂问题的分析过程,实际是不存在的。理想传输线的电路模型如下图所示: 从理想传输线模型可以看出来,理想传输线只与电感和电容有关系。同样,在使用理想传输线只需要考虑阻抗和延时,如下图所示: 在日常工作中,经常会分析传输线的阻抗、插入损耗、回波损耗、相位、反射系数等等,如果是多传输线系统,还会涉及到串扰、模式转换等等。 理想传输线的阻抗公式可以用如下表达式表示: Z:传输线阻抗 L:传输线单位电感 C:电容 在工程应用中,可以利用此公式快速地判断问题如何变化。 有损传输线特性就与很多因素有关系,比如其阻抗与传输线的物理结构和材料有关系,如线宽、导体厚度、传输线到参考层的距离、介电参数等等。 与传输线损耗有关的因素就更多了,如果是插入损耗,与之有关的因素包括线宽、线长、导体厚度、传输线到参考层的距离介质损耗角等因素。 在高速电路中系统中,不管是什么样的传输线结构,都希望传输路径是均匀的,且阻抗、损耗、串扰等指标要满足其系统的要求。 传输线是由介质和导线构成的。在PCB上,传输线通常分为微带线和带状线。如下图所示: 为了确保良好的信号完整性,需要保证传输线上每一点的阻抗是一致的。在传输线任何点的特性阻抗变化都会导致信号反射,这样就会造成噪声。但是,在高速PCB中,存在着芯片封装、breakout区域、过孔、分支和其它组件寄生等因素都会导致阻抗失配。在高速设计中,不受控制的阻抗会显著降低电压和时序裕量,以致电路恶化或者无法运行下去。咱们能做的事情是尽量减少阻抗不连续点。 有损传输线电路模型: 传输线的简单模型可以由RLC构成,如下图所示: 通常,把传输线分为有损传输线和无损传输线。显然,在PCB上存在的都是有损传输线。有损传输线可以假定其是由无限多阶RLC构成的一个多级电路。串联电阻表示分布电阻,单位为每单位长度的欧姆 (ohm)。串联电感表示分布环路电感,单位为每单位长度的亨 (H)。分隔两个导体的是介电材料,由每单位长度的电导 G 表示,单位为西门子 (S)。并联电容器以每单位长度的法拉 (F) 为单位表示两个导体之间的分布电容。那么,特性阻抗可以通过以下公式计算: 其中: Z0是传输线的特性阻抗。 R0是传输线单位长度的串联电阻。 L0是传输线单位长度的环路电感。 G0是传输线单位长度的电导。 C0是传输线单位长度的电容。 无损传输线: 无损传输线与R0和G0无关,所以其阻抗公式为: 无损传输线虽然在实际的工程中不存在,但是也不能无视其存在。无损传输线在很多场合都是非常有意义的。 传播延时: 在高速电路中,我们经常用传输线延时与信号上升时间的大小来作对比,并以此来判断是否为高速信号。 从传输线A传递到B所使用的时间Tpd就是传输线的延时。给定单位长度的电感和电容,信号的传播延时可以由以下等式确定: 其中: Tpd是以秒/单位长度为单位的传播延时。 L0是传输线每单位长度的环路电感。 C0是传输线每单位长度的电容。 信号以光速在自由空间中传播。所以当信号在导体中传递时,其与传输线介质的介电常数是有关系的。当介质确定时,可以通过下列公式计算传输线的传播延迟: 其中: Dk是材料的介电常数。 c是自由空间中的光速 ≈ 3.0x8m/s。 真空的介电常数是1。空气的相对介电常数约为1。而PCB介质的介电常数通常都大于1,比如常说的FR4这类型的材料的介电常数约为4。所以空气是一种非常优良的介质。 由此,我们经常使用一个经验公式来计算信号在传输线中的延时或者每1ns在介质中传递的距离是多少。经验公式如下所示: 其中: Dkeff是介质的相对介电常数 Len的单位是inch(每1ns所对应的长度) 在进行高速电路PCB设计时,经常看到的一个经验数字就是,在PCB上每1ns所对应的长度是6inch,指的就是当PCB使用材料的介电常数是4。但是实际上,这还要区分是微带线、还是带状线,如果是微带线,其相对介电常数是大于1的。 本文转载自《信号完整性》公众号

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