快点PCB原创|高速SI培训之传输线理论

1.        高速信号的基本概念
提到“高速信号”，就需要先明确什么是“高速”，MHz速率级别的信号算高速、还是GHz速率级别的信号算高速？
传统的SI理论对于“高速信号”有经典的定义。
SI：Signal Integrity ，即 信号完整性。
SI理论对于PCB互连线路的信号传输行为理解，信号边沿速率几乎完全决定了信号中的最大频率成分，通常当信号边沿时间小于4~6倍的互连传输延时的情况下，信号互连路径会被当做分布参数模型处理，需要考虑SI行为。



图1 信号边沿时间与电路传输延时
所谓“高速”，就是指“信号边沿时间小于4~6倍的互连传输延时”，可以看出电路板传输的信号是否为“高速”，不只取决于信号的边沿速率，还取决于电路板线路的路径长度大小，当两者存在一定的比例关系时，该信号应该按照“高速信号”进行处理。
要更好的理解上面的“高速信号”含义，需要先明白“传输线理论”。
2.        传输线理论
2.1        PCB的传输线结构
        典型PCB中所见到的传输线结构是由嵌入或临近电介质或绝缘材料，并且具有一个或多个参考平面的导线构成。典型PCB中的金属是铜，而电介质是一种叫FR4的玻璃纤维。数字设计中最常见的两种传输线类型是微带线和带状线。微带线通常指PCB外层的走线，并且只有一个参考平面。微带线有两种类型：埋式或非埋式。埋式（有时又称作潜入式）微带线就是将一根传输线简单地嵌入电介质中，但其依然只有一个参考平面。带状线是指介于两个参考平面之间的内层走线。下图所示为PCB上不同元件之间的内层走线（带状线）和外层走线（微带线）。标识处的剖面图显示了传输线与地/电源层的相对关系。

图2 典型PCB传输线示意图
2.2        信号传播路径
当数字信号的边沿速度（上升或下降时间）比在PCB走线上传送的电信号的传播延迟来得小时，信号将受到传输线效应的极大影响。电信号在传输线的传送方式就如水流过一根长的方形管子一样。这就是所谓的电波传播。就如水是以波的形式流过管子，电信号会以波的形式沿传输线传送。另外，就如水在一定时间里流过管子一定长度，电信号也将在一定时间里沿着传输线传送一定长度。进一步打个简单的比方，传输线上的电压比作水在管子中的高度，而电流比作水的流量。下图所示为表示传输线的常见方式。上面的线是信号路径，而下面的线是电流的返回路径。电压Vs是从节点A输入的初始电压，而Vs和Zs是通常被定义为信号源或者激励的输出缓冲器的戴维南等效描述。

图3 信号在PCB传输线的传播
        微带线的电磁场分布可以参考下图所示：

图4  PCB微带线的电磁场分布示意图
2.3        传输线的等效模型
一般来说，传统的电路学理论适用于信号互连的电路尺寸远小于传输信号中设计者所关注的最高频率所对应波长的电路结构分析。此时，信号的互连等效于一阶电路元件，被称为“集总元件”（Lumped Elements）；反之，当信号互连的电路尺寸接近传输信号中设计者多关心的最高频率所对应的波长时，由于互连路径上不同位置的电压或电流的大小与相位均可能不同，信号的互连等效于多阶电路元件，因而被称为“分布式元件”（Distributed Elements）。
简单点说，“集总元件”就是把整个电路互连链路用单个RLGC模型来表征，“分布式元件”就是把整个电路互连链路分解为多个RLGC模型单元进行级联。

图5 RLGC模型单元
2.4        特征阻抗
        传输线的特性阻抗Zo定义为线上任意点的电压波和电流波的比率，即V/I =Zo

其中，R为每单位长度欧姆，L为每单位长度亨利，G为每单位长度西门子，C为每单位长度法拉，而为每秒弧度。
因为R和G都比其他项要小得多（仅在甚高频或有极大损耗线时，阻抗的R和G分量才变得重要）），通常特征阻抗近似为：

2.4        微带线与带状线的相关参数
（1）微带线

（2）带状线

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