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信號(hào)完整性(六):多長(zhǎng)的走線才是傳輸線

時(shí)間2014/09/12
人物Lee
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多長(zhǎng)的走線才是傳輸線?


這和信號(hào)的傳播速度有關(guān),在FR4板材上銅線條中信號(hào)速度為6in/ns。簡(jiǎn)單的說(shuō),只要信號(hào)在走線上的往返時(shí)間大于信號(hào)的上升時(shí)間,PCB上的走線就應(yīng)當(dāng)做傳輸線來(lái)處理。


我們看信號(hào)在一段長(zhǎng)走線上傳播時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。假設(shè)有一段60英寸長(zhǎng)的PCB走線,如圖1所示,返回路徑是PCB板內(nèi)層靠近信號(hào)線的地平面,信號(hào)線和地平面間在遠(yuǎn)端開(kāi)路。

 圖1


信號(hào)在這條走線上向前傳播,傳輸?shù)阶呔€盡頭需要10ns,返回到源端又需要10ns,則總的往返時(shí)間是20ns。如果把上面的信號(hào)往返路徑看成普通的電流回路的話(huà),返回路徑上應(yīng)該沒(méi)有電流,因?yàn)樵谶h(yuǎn)端是開(kāi)路的。但實(shí)際情況卻不是這樣,返回路徑在信號(hào)上后最初的一段時(shí)間有電流。

在這段走線上加一個(gè)上升時(shí)間為1ns的信號(hào),在最初的1ns時(shí)間,信號(hào)還線條上只走了6英寸,不知道遠(yuǎn)端是開(kāi)路還是短路,那么信號(hào)感覺(jué)到的阻抗有多大,怎么確定?如果把信號(hào)往返路徑看成普通的電流回路的話(huà)就會(huì)產(chǎn)生矛盾,所以,必須按傳輸線處理。

實(shí)際上,在信號(hào)線條和返回地平面間存在寄生電容,如圖2所示。當(dāng)信號(hào)向前傳播過(guò)程中,A點(diǎn)處電壓不斷不變化,對(duì)于寄生電容來(lái)說(shuō),變化的電壓意味著產(chǎn)生電流,方向如圖中虛線所示。因此信號(hào)感受到的阻抗就是電容呈現(xiàn)出來(lái)的阻抗,寄生電容構(gòu)成了電流回流的路徑。信號(hào)在向前傳播所經(jīng)過(guò)的每一點(diǎn)都會(huì)感受到一個(gè)阻抗,這個(gè)阻抗是變化的電壓施加到寄生電容上產(chǎn)生的,通常叫做傳輸線的瞬態(tài)阻抗。

圖2


當(dāng)信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端,遠(yuǎn)端的電壓升至信號(hào)的最終電壓后,電壓不再變化。雖然寄生電容還是存在,但是沒(méi)有電壓的變化,電容相當(dāng)于開(kāi)路,這對(duì)應(yīng)的就是直流情況。

因此,這個(gè)信號(hào)路徑短期的表現(xiàn)和長(zhǎng)期的表現(xiàn)不一樣,在起始一小段時(shí)間內(nèi),表現(xiàn)就是傳輸線。即使傳輸線遠(yuǎn)端開(kāi)路,在信號(hào)跳變期間,傳輸線前段的性能也會(huì)像一個(gè)阻值有限的電阻。   


(作者:于爭(zhēng)博士)



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