学习笔记之传输线基础

来源:一博自媒体 时间:2018-12-17 类别:微信自媒体

作者:周伟  一博科技高速先生团队队员

单独一根导线可以传输信号吗?有人可能会有疑问:貌似我们经常碰到当怀疑PCB走线有问题,然后把线刮断再从外面飞根线就没问题了,此时飞线不就是一根吗?怎么就可以传输信号了呢?其实这里忽略了一点,虽然在外面飞了根线,但PCB上面还有其他的平面,这个平面就相当于返回路径,和我们的PCB上单端信号一样,信号管脚之间连接确实只有一根,但如果没有地平面,那么信号是传输不了的,这个地平面就构成了返回路径。所以我们?#24310;扇我?#20004;条有一定长度的导线组成的线路结构叫做传输线,其中一条是信号路径,另一条是返回路径,两者缺一不可且作用同等重要。

传输线的种类很多,如均匀传输线、非均匀传输线、平衡传输线和非平衡传输线等,不胜枚举,但通常我们接触的都是均匀传输线,也叫可控阻抗传输线,如双绞线、同轴电缆、微带线、带状线和共面线等。前面说了传输线有两条,当两条线一样时,如双绞线,信号路?#38431;?#36820;回路径没有严格的区分;如果两条线不相同,如微带线,则通常把较窄的那条称为信号路径,而把平面称为返回路径,如下图一所示。这里需要注意,很多时候我们可以?#35757;?#21483;返回路径,但却不能把返回路径叫地,因为返回路径也有可能是其他信号,所以地不是绝对的概念,但返回路?#24230;?#26159;,返回路径的叫法更广泛。

 
图一    传输线?#23601;?/div>
在PCB中,最常见的均匀传输线有微带线、带状线和共面线,同时它们也可以叫非平衡传输线(共面线也有归为平衡传输线的情况),因为这些传输线的两条导线宽度不一样,但无论传输线是均匀的还是非均匀的,平衡的还是非平衡的,它们的最终作用都是一样,那就是在可接受的失真度下,保证信号的正确传输。

说到微带线和带状线,大家的第一反应大概是在表层的叫微带线,在内层的叫带状线,是不是这样呢?
 
其实这个只是表面的理解,也就是表面现象,那它们的本质区别是什么呢?相信很多参加过我们研讨会的童鞋都知道,那就是看它们有几个参考层,这个才是正解,因为有些走线如?#24230;?#24335;微带线虽然是在内层,但它却不是带状线。
 
好吧,看看下面的微带线和带状线?#23601;肌?br />
 
   
它们都是均匀的或可控阻抗传输线,这个阻抗与线宽、线的厚度、线到参考的高度以及线?#20998;?#22260;介质的介电常数有关。经常有人这样问:你们的阻抗是在多高频率下测试的?这个问题真是难住我了!我竟一时无言以对!这个问题和类似的“信号到了较高频以后,阻抗会影响很大”其实差不多,不是不太懂就是操心太多。其实前面已经讲了阻抗和哪些因素相关,这些因素中唯一和频率相关的就是介质的介电常数。我们现在多数PCB用的是FR4介质,该类型的介?#24335;?#30005;常数一般随频率的升高而变小,但一般这个变化范围不会太大,在40GHz内不会超过0.5(好的材料会在0.2以内),如果超过了则代表这种材料稳定性很差,一般人也不会选择,尤其是到了很高速的情况下,大家也都不是傻子。既然介电常数变化不大,那么这个阻抗也就在一定的频率范围内偏差不大了(除非材料本身出了问题),所以还是多操心在其他的方面,比如制板及工艺控制等的偏差吧。

与介电常数相关的,除了传输线的阻抗,其实另一个问题大家也会经常混淆,那就是传输线的时延。经常会有人问:我的这个信号速率(频率)升高了,那么它?#22242;?#24471;更快了,对应的时延就更小了,是这样吗?呵呵,我又无言以对了!
 
这里把信号的速率(频率)和信号的传输速度混淆了,信号的速率(频率)是信号本身的特征,代表输出信号的信号源内部电路的翻转频率,就像不同的车子有不同的车速一样,这个取决于车子本身的发动机性能;而信号的传输速度则接近光速在介质中的传播速度,因为信号的传播方式是以电磁场的形式传播,这个传播速度与信号本身的速率无关,只与PCB的介?#20160;?#26009;相关,最直接的影响就是相对介电常数,信号的传输速度可以大致?#19978;?#21015;公式得到:


其中,ε0是自由空间的介电常数(), εr是材料的相对介电常数,μ0是自由空间的导磁率(), μr是材料的相对导磁率,通常为1。

所以上面公式可以近似为,相当于光速除以材料的相对介电常数的平方根,而时延Td=线长Len/v,那么这个时延和材料的相对介电常数就正相关了。不同材料的时延不一样,一般高速板材(低损耗板材)的相对介电常数?#31995;停?#26102;延会相对小。时延到底和频率有没有关?#30340;兀?#23601;像上面阻抗和频率的关系一样,取决于介电常数的偏差,通常这个偏差不会太大,所以一般也不用太过焦虑。不过有一点不容忽视,就是介电常数还会受高低温及湿度的影响,当材料本身的性能不稳定,这个偏差就会稍微大一点,此时一旦系统的设计裕量不足,那么就会出现一些产品在高低温的情况下出现问题,这个时候又回到了裕?#21487;?#38754;,?#31185;?#30340;设计才是保证裕量的基本条件。

小结一下,关于传输线,需要知道的是信号路径和返回路径是传输线的基本构成,两者作用均等缺一不可,同时阻抗和时延是传输线的两个非常重要的特征,后面涉及到的反射、串扰及时序等都和它们关系密?#23567;?br />


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