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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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更多內(nèi)容：

信號(hào)完整性(一)：PCB走線中途容性負(fù)載反射

信號(hào)完整性(二)：接收端容性負(fù)載的反射

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信號(hào)完整性(五)：信號(hào)反射