第四章 传输线基础.ppt

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1、第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础1第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础24.0 引言引言4.0 引言引言信号完整性分析是基于传输线理论的。要从认识传输线开始！信号完整性分析是基于传输线理论的。要从认识传输线开始！传输线到底是什么？同轴电缆是一种传输线，多层板中的PCB线条也是一种传输线。图图4.0 4.0 传传输输线线由由任任意意两两条条有有一一定定长长度度的的导导线线组组成成。其中一条标记为信号路径，另一个为返回路径其中一条标记为信号路径，另一个为返回路径。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础34.0 引言引言传

2、输线有两个非常重要的特征：特特性性阻阻抗抗和和时时延延。最关心的是信号与传输线的相互作用。理想传输线的电气特性在某些情况下是可以用L-C组合来近似的。与L-C近似相比理理想想传传输输线线模模型型的性能与实际互连线的实测性能更加吻合，模型的带宽也更高。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础44.1 滥用滥用“地地”和和“接地接地”4.1 滥用滥用“地地”和和“接地接地”以往，总是将传输线的返回路径简单地当作地线。在信号完整性的设计过程中，造成问题的一种常见现象就是滥用“地”这一名词。应当习惯于把其他导体看作是返回路径。信号完整性的许多问题，都都是是返返回回路路径径设设计计不不当当产产生生

3、的的。要认真设计信号之外其他路径的几何形状。当把其他某一路径称作地时，我们通常将它看成是所有电流的汇合处。返回电流流进这里，又从这里流向其他接地处。这是一种完全错误完全错误的观点！第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础54.1 滥用滥用“地地”和和“接地接地”返回电流是要紧靠信号电流。前面介绍了高频时信号路径和返回路径的回路电感要最小化。只要情况允许，返回路径会尽量靠近信号路径。返回路径有时是个电压平面，如Vcc或Vdd平面；有时是一个低电压平面。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础64.2 均匀传输线均匀传输线4.2 均匀传输线均匀传输线当两条线是一样时，如双绞线，信号路径

4、与返回路径没有严格的区分。可以指定任意一条为信号路径，而另一条条为返回路径。如果两条导线不相同，如微带线，通常把较窄的那条叫做信号路径，而把平面称为返回路径。某一时刻信号波形，信号指的是信号线和返回线两点间的电压。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础74.2 均匀传输线均匀传输线如果导线上任何一处的横截面相同，如同轴电缆，称这种传输线为均匀传输线。下图给出了各种均匀传输线。twisted pair：双绞线Coax：同轴电缆Coplanar：共面线Microstrip：微带线embedded microstrip：嵌入微带线Stripline：带状线asymmetric stripli

5、ne：非对称带状线第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础84.2 均匀传输线均匀传输线均匀传输线也称为可可控控阻阻抗抗传输线。如果传输线是均匀的或者是可控阻抗的，那么反射就会减小，信号的质量就会更优。所有的高速互连线都必须必须设计成均匀传输线。整条导线，若几何结构或材料属性发生变化，传输线就是不均匀的。如两条导线的间距变化，那它就是非均匀传输线。非均匀传输线除非走线足够短，否则就会引起信号完整性问题。信信号号完完整整性性优优化化设设计计的的目目标标：将将所所有有互互连连线线都都设设计计成成均均匀匀传传输输线线，减减小小所所有有非非均均匀匀传传输输线的长度。线的长度。第四章第四章 传输线

6、的物理基础传输线的物理基础94.2 均匀传输线均匀传输线另一个几何参数是两条导线的相似程度。如果两导线的形状和大小都一样，称为对对称称传输线，如双绞线。共面线在同一层并列的两条线，也是对称传输线。同轴电缆是非对称传输线，因为它的中心导线要比外面的导线小。微带线也是一种非对称传输线，因为两条导线的宽度不一样。带状线也是非对称传输线。一一般般来来说说，绝绝大大多多数数传传输输线线本本身身的的对对称称与与否否对对信信号号的的反反射射失失真真和和串串扰扰效效应应都都不不会会造造成成什什么么影影响响。然然而而，返返回回路路径径的的具具体体结结构构将将严严重重影影响响地地弹和电磁干扰弹和电磁干扰问题。问题

7、。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础104.3 传输线上信号的速度传输线上信号的速度4.3 传输线上信号的速度传输线上信号的速度实际铜导线中的电子速度要比信号的速度要低得多。当信号在传输线上传播时，两导线间就会产生电压。在电压的作用下，电流必然在信号路径和返回路径中流动。这样使两导体充电产生电压，从而建立电场，而两导体之间的电流回路产生了磁场。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础114.3 传输线上信号的速度传输线上信号的速度导线中电子的速度与信号的速度没有任何关系。导线周围的介质、信号在传输线导体周围空间形成交变电磁场的建立速度和传播速度三者共同决定了信号的传播速度。e

8、0为自由空间介电常数，其值为8.89 10-19 F/m；er为材料的相对介电常数；m0为自由空间导磁率，其值为4p10-7H/m；mr为材料的相对导磁率；第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础124.3 传输线上信号的速度传输线上信号的速度几乎所有不含铁磁体材料的互连材料相对导磁率都为1，所以电磁场的变化速度为：根据环氧树脂与玻璃纤维的比率不同，FR4的介电常数在4.0至4.5之间变化。大多数互连叠层材料的介电常数约为4。绝大多数互连中的信号速度约为6in/ns，当估算电路板上互连中信号的速度时，就可以假定它约为6in/ns，或者连线的时延约为166ps/in。所以时延TD与互联线长

9、度的关系为：TD为时延，单位为ns；Len为互联线长度，单位为in；v为信号的速度，单位为in/ns；第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础134.4 信号前沿的空间传播信号前沿的空间传播4.4 信号前沿的空间传播信号前沿的空间传播传输线在上升时间内的长度d，取决于信号的传播速度和上升时间：d表示上升时间的空间传播距离，单位为in；RT表示10%到90%的上升时间，单位为ns；v表示信号的速度，单位为in/ns；第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础144.5 传输线阻抗概念的定性讨论传输线阻抗概念的定性讨论 信号的传播速度取决于介质的介电常数和介质的分布。以微带线为例，它是一

10、种均匀而非对称传输线，其信号路径比较窄而返回路径比较宽。在其一端加上信号，并估算信号在传输线上传播时受到的阻抗。把电池接在两导线的一侧。在信号加到传输线上的起始瞬间，信号还没有足够的时间传到远处。设介质为空气，传播速度为光速，12in/ns。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础154.5 传输线阻抗概念的定性讨论传输线阻抗概念的定性讨论第一个1ns，在信号路径与返回路径的第一个12in中两导线间有1V电压，则信号路径必带上电荷，返回路径上带上极性相反而电量相等的电荷。当信号在导线上传播时，把电压带到两条导线体上，并使之带电。则这个区域内两导线之间形成电容。第四章第四章 传输线的物理基

11、础传输线的物理基础164.5 传输线阻抗概念的定性讨论传输线阻抗概念的定性讨论每走一步，使等量的电容带上相等的电量，以使电容达到相同的电压。如果每走一步用的时间相同，那么单位时间要求从信号源得到的电量就相等。每纳秒流入导线的电量相等，说明流入导线的电流是一常量。信号的电压是由信号源决定的，电流的大小取决于每步长度的电容和电容充电时间的长短。只只要要信信号号的的速速度度和和单单位位长长度度的的电电容容恒恒定定，则则注注入入到到导导线的电流就恒定，那么信号受到的阻抗就恒定。线的电流就恒定，那么信号受到的阻抗就恒定。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础174.5 传输线阻抗概念的定性讨论传

12、输线阻抗概念的定性讨论将信号在每刻受到的阻抗称为传输线的瞬瞬态态阻阻抗抗。瞬态阻抗的值等于线上所加的电压与电流之比，这个电流用于传输线的充电和信号向下一步的传播。瞬态阻抗取决于信号的速度和单位长度的电容。信号与传输线相互作用的重要特征是：当信号遇到的瞬态阻抗变化时，一部分信号被反射，一部分更加失真，导致信号完整性会受到破坏。这就是对信号受到的瞬态阻抗需要加以控制的主要原因。减减少少反反射射问问题题的的主主要要方方法法是是：保保持持导导线线的的几几何何结结构构不不变变从从而而使使信信号号受受到到的的瞬瞬态态阻阻抗抗保保持持不不变变。这这就就是是可可控控阻阻抗抗互互连连线线或或保保持持沿沿线线的的

13、瞬瞬态态阻阻抗抗不变的意义。不变的意义。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础184.6 传输线的瞬态阻抗传输线的瞬态阻抗瞬态阻抗概念即信号在每前进一步时所受到的阻抗。传输线模型由一排小电容器组成，其值等于传输线一跨度的电容量，一跨度就是信号的步长。该模型中，步长为Dx，每个小电容的大小就是传输线单位长度的电容量CL与步长Dx的乘积：第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础194.6 传输线的瞬态阻抗传输线的瞬态阻抗信号在导线上传播时的电流，是一个常量：上式说明，注入到导线上的电流仅与单位长度的电容量、信号的传播速度以及信号的电压有关。所以，信号瞬时受到的阻抗就像电阻性负载一样。

14、I为信号的电流CL为传输线单位长度的电容量v为信号的速度V为信号的电压第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础204.6 传输线的瞬态阻抗传输线的瞬态阻抗Z表示传输线的瞬态阻抗，单位为欧姆；CL表示传输线单位长度的电容量，单位为pF/in；v表示材料中信号的速度，单位为in/ps；er表示材料的介电常数；只只要要传传输输线线的的横横截截面面和和材材料料特特性性这这两两个个参参数数保保持不变，信号受到的瞬态阻抗就是一个常数。持不变，信号受到的瞬态阻抗就是一个常数。因此可以计算出信号沿传输线传播时受到的瞬态阻抗。瞬态阻抗等于施加的电压与流过器件的电流的比值：第四章第四章 传输线的物理基础传输

15、线的物理基础214.7 特性阻抗和可控阻抗特性阻抗和可控阻抗对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。在瞬态阻抗不变时，称其为特特性性阻阻抗抗，用Z0表示，这是影响传输线信号完整性的一个主要因素。特性阻抗在数值上与均匀传输线的瞬态阻抗相等，它它是是传传输输线线的的固固有有属属性性，且且仅仅与与材材料料特特性性、介介电电常常数数和和单单位位长长度度电电容容量量有有关关，而而与与传传输输线线长长度度无无关关。传输线的特性阻抗为：第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础224.7 特性阻抗和可控阻抗特性阻抗和可控阻抗将沿线特性阻抗是一个常量的传输线叫做可控阻抗传输

16、线。如果一块电路板上的所有互连线都是可控阻抗传输线，并且有相同的特性阻抗，就将这块电路板叫做可控阻抗电路板。如果电路板的尺寸大于6in，而且时钟频率高于100MHz，则都应制成可控阻抗电路板。可可控控阻阻抗抗互互连连线线的的惟惟一一条条件件是是：横横截截面面是是恒恒定定的。的。许多传输线都有可控阻抗，例如，双绞线、同轴线、微带线和带状线。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础234.7 特性阻抗和可控阻抗特性阻抗和可控阻抗传输线的特性阻抗与两导线间的单位长度电容成反比关系。对于FR4板上的微带线，若线宽是介质厚度的两倍，则特性阻抗约为50。如果线宽增加，单位长度电容就增加，相应的特性阻

17、抗就下降；如果介质厚度增加，单位长度电容就减小，相应的特性阻抗就增大宽导线和薄介质构成的传输线特性阻抗很低，如PCB板中电电源源平平面面和和地地平平面面构构成成传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗通通常常小小于于1W W。相反，窄导线和厚介质构成传输线特性阻抗较高，典型值为60到90之间。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础244.8 末端开路传输线的输入阻抗末端开路传输线的输入阻抗末端开路的阻抗一定是无穷大吗？末端开路的阻抗一定是无穷大吗？取一段50电缆线，在一端测量信号路径与返回路径间的阻抗。那么测得的阻抗是多少？是开路，短路，还是50？一般欧姆表测量电阻的方法是给被测元件加1V的电

18、压，然后测量电压与电流的比值。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础254.8 末端开路传输线的输入阻抗末端开路传输线的输入阻抗事实上，在信号返程结束前信号源并不知道传输线有终点。在这种情况下，欧姆表的读数就是传输线的特性阻抗，即50，这是50电缆线的真正含义。只只要要测测量量时时间间小小于于往往返返时时间间，欧欧姆姆表表测测量量到到的的阻抗就是传输线特性阻抗。阻抗就是传输线特性阻抗。在信号往返时间之后，根据传输线末端负载的不同，阻抗可在零到无穷大之间变化。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础264.8 末端开路传输线的输入阻抗末端开路传输线的输入阻抗从传输线一端看进去的阻抗

19、是随时间而变化的。在信号往返时间之内，所测量到的阻抗就是特性阻抗。如果等待时间足够长，测量到的阻抗将会是开路。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础274.8 末端开路传输线的输入阻抗末端开路传输线的输入阻抗传输线的阻抗是由驱动器测量进入传输线始端的信号而得出的，它随时间而变化。根据末端的连接情况、传输线的长度和测量方法的不同而不同。传输线的瞬态阻抗就是信号沿传输线上传播时信号所感受到的阻抗。如果横截面是均匀的，沿线的瞬态阻抗处处相等。传输线的特性阻抗是描述由几何结构和材料决定的传输线特征的一个物理量，它等于信号沿均匀传输线传播时所受到的瞬态阻抗。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的

20、物理基础284.8 末端开路传输线的输入阻抗末端开路传输线的输入阻抗在高速系统中，对驱动器来说，长度大于几英寸的末端开路互连线并不表现为开路。在信号跳变期间，表现为纯电阻。当互连线足够长而显示出传输线性能时，驱动器受到的阻抗可能会随时间而变化。这一特性将严重影响互连线上传播信号的性能。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础294.8 末端开路传输线的输入阻抗末端开路传输线的输入阻抗FR4电路板上3in长的传输线，往返时间约为1ns。如果驱动这条线的信号的上升时间小于1ns，那么从传输线始端看进去，驱动器受到的阻抗就是传输线的特性阻抗，即信号受到的阻抗表现为电阻。如果上升时间远大于1ns

21、，传输线的阻抗将是开路。对于高高速速驱驱动动器器而言，当驱动一条传输线时，在往返时间内，它受到的输入阻抗等效为一个纯电阻。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础304.8 末端开路传输线的输入阻抗末端开路传输线的输入阻抗在往返时间内，驱动器把互连线的阻抗视为电阻负载，其大小等于该线的特性阻抗。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础314.9 传输线的驱动传输线的驱动高速信号驱动传输线时，传输线的输入阻抗在往返时间内表现为电阻，大小等于特性阻抗。上：输出门驱动传输线。下：等效电路模型。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础324.9 传输线的驱动传输线的驱动当驱动器的输出

22、源阻抗变化时，加在50传输线上的电压百分比。为了使初始加到传输线上的电压更接近于源电压，驱动器的输出源电阻就必须很小！其重要性仅次于传输线的特性阻抗。若输出器件的输出阻抗特别低，如10或更小，通常称之为线性驱动器线性驱动器，它们能把绝大部分电压加到传输线上。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础334.10 信号的返回路径信号的返回路径第二条线不是地！而是返回路径！所有的电流，都必须构成回路。把电流加到传输线的信号路径上，经过长时间后的电流分布情况。那么何时电流从返回路径上流出？把远端短路，如图所示，将信号加到传输线上。开始时，信号路径上的电流为一常量，它与施加的电压和传输线的特性阻抗

23、有关。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础344.10 信号的返回路径信号的返回路径利用传输线的零阶模型，将传输线描述为一连串的小电容。若电容两端的电压恒定不变，就没有电流流过电容。当信号加到传输线上时，信号路径与返回路径两导线之间的电压就会迅速升高。正是在电压的前沿经过时，电流流过第一个电容。信号电流经过传输线的分布电容流到返回路径上。只有信号电压变化的地方，即dV/dt不为零的地方，电流才从信号路径流到返回路径上。这仅与瞬时环境和信信号号前前沿沿所所在在的的那一小段那一小段传输线有关。传输线有关。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础354.10 信号的返回路径信号的返回

24、路径只有在电电压压发发生生改改变变的的地地方方，即信号前沿位置附近，才有电流从分布电容中流过。而电流就在信号路径、电容和返回路径组成的电流回路中流动。信号受到的瞬态阻抗就是信号电压与电流的比值。信号受到的瞬态阻抗就是信号电压与电流的比值。任何干扰电流回路的因素，都会干扰信号并造成信号失真，这将破坏信号完整性。为为了了保保持持良良好好的的信信号号完完整整性性，控制电流波前沿和电压波前沿都非常重要。做到这一点的最最重重要要方方法法就就是是保保持持信信号受到的瞬态阻抗恒定。号受到的瞬态阻抗恒定。任任何何影影响响信信号号电电流流路路径径或或返返回回电电流流路路径径的的因因素素都都会会影影响响信信号号受

25、受到到的的阻阻抗抗。无无论论是是对对于于PCBPCB板板、插插头头、还还是是ICIC封装，封装，返回路径返回路径都必须像信号路径一样都必须像信号路径一样认真设计认真设计。如果返回路径是一个平面，那么返回电流在哪里流动？电流在平面上是如何分布的？要计算需要用二维场的方法。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础364.10 信号的返回路径信号的返回路径10MHz和100MHz时，微带线和带状线信号路径和返回路径中的电流分布。由上图可见返回路径中的电流分布集中在信号路径的下面，信号频率越高，电流分布越集中。频率越高，返回电流直接在信号电流下面流动的趋势就越明显。频率高于100MHz时，绝大部

26、分返回电流直接在信号路径下面流动。无论信号路径是弯曲的或是直角拐弯的，平面上的返回电流都会跟随它。以使回路电感就会保持最小。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础374.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换多层板互连中，返回路径通常设计成平面。但如果与信号路径相邻的平面不是被驱动的平面，情况又会如何呢？当相邻平面不是返回路径时，返回电流分布有所不同第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础384.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换电流的分布总是趋向于减小回路阻抗。在传输线的起始端，返回路径将从第3层底平面耦合到第2层中间平面，然后又回到第1层的信号路径。信号路径上的电

27、流在悬空的中间平面的上表面感应出涡涡流流，底平面的返回电流又在中间平面的下表面感应出涡涡流流。这些感应的涡流在中间平面上靠近信号电流和返回电流输入端的那一边相联通。电流的流向如图当相邻平面不是返回路径平面时，电流流动的侧视图第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础394.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换由于趋肤效应的影响，平面上精确的电流分布与频率有关。通常，电流在各个平面的分布趋向于减小信号返回路径的总回路电感。这时，只能使用场求解器来精确计算出分布情况。下图给中导线的厚度为2mil，频率在20MHz，从一端横截面观察到的电流分布情况。信号加到上面导线和底部平面之间而中间平面

28、悬空时，从一端观察到的电流分布情况。悬空平面上有感应涡流，颜色越淡表示电流密度高。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础404.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换中间平面是悬空的，这时信号受到的阻抗是两条传输线的串联。如图所示，信号受到的串联阻抗为：上：驱动器驱动传输线的物理结构（中间平面悬空）。下：等效电路模型。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础414.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换两两平平面面的的阻阻抗抗Z2-3越越小小，信信号号受受到到的的阻阻抗抗就就越越接接近近于于Z1-2。驱动器受到的阻抗由信号路径和与它最近的平面构成传输线的阻抗决定。与邻近平

29、面的电压连接没有关系。如如四四层层PCB中中间间的的电电源源地地平平面面，最最终终可可能能选选择择电源平面返回！电源平面返回！对对于于多多层层板板中中的的传传输输线线，驱驱动动器器受受到到的的阻阻抗抗主主要要由由信信号号路路径径和和与与之之最最近近的的平平面面构构成成的的阻阻抗抗决决定定，而而与与实实际际连接在驱动器返回端的平面无关。连接在驱动器返回端的平面无关。假设hw，两个长而宽平面间的特性阻抗可近似为：Z0表示两平面的特性阻抗，单位为h表示平面间的介质厚度，单位为inw表示平面的宽度，单位为in er表示平面间材料的介电常数第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础424.11 返回

30、路径平面的切换返回路径平面的切换例如，对于FR4，平面宽度为2in，介质厚度为10mil，则两平面之间的特性阻抗约为3770.01/2/2=1.9。当平面间的阻抗远小于50时，与驱动器直接相连的是哪一个平面已无关紧要，而对阻抗起主导作用的是与信号路径距离最近的那个平面。减减小小相相邻邻平平面面间间阻阻抗抗的的最最重重要要方方法法就就是是尽尽量量减减小小平平面面间间介介质质的的厚厚度度。这不仅使得平面间的阻抗最小，并且使两平面紧密耦合。这时驱动器实际连接哪一个平面都无关紧要了。平面间的耦合为返回电流尽量接近信号电流提供了低阻抗路径。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础434.11 返回

31、路径平面的切换返回路径平面的切换如果信号路径在中途转换所在的层，相应的返回电流情况又会怎样？如图所示的四四层层电电路路板板中，信号路径从第1层开始，通过过孔连接到第4层上。在电路板的前半部分，返回电流分布在信号路径下方的平面上即第2层平面。4层板的横截面，其中信号路径从第1层开始，然后通过过孔到第4层上。返回电流将从第2层转换到第3层。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础444.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换过孔把信号电流从第1层引到第4层，那么返回电流是如何从第2层转换到第3层的？为了减少电路板层数，必须使用电压值不相同的邻近参考平面。如果平面2的电压为5V，平面3的电

32、压为0V，则它们之间没有直流通路。那么返回电流是如何从第3层平面流到第2层平面？电电流流只只能能从从平平面面之之间间的的电电容容流流过过。返回电流围绕过孔转换到同一平面的另一表面上。此时电流在两平面的内表面上扩散开，并通过两平面间的电容耦合。下图画出了返回路径上的电流流动情况。两个返回路径平面构成一条传输线，而且返返回回电电流流受受到到的的阻阻抗抗就就是是两两平面的瞬态阻抗。平面的瞬态阻抗。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础454.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换通过两平面间的容性耦合，返回电流从第2层转换到第3层平面上。无论什么时候返回电流在直流隔开的平面间切换，返回电

33、流都会在两平面间实现耦合，信号电流受到的阻抗等于两平面构成传输线的瞬态阻抗。同时产生压降，即地弹地弹。设计返回路径的目标是：设法减小返回路径的阻抗以便减小返回路径上的地弹噪声。要达到这个目标，就得尽量减小参考平面间的阻抗，通常的做法是把参考平面设计成两个相邻的平面，而且平面间的介质要尽量薄。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础464.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换在两返回平面之间，当返回电流以不断扩张的圆从信号过孔中心向外扩散时，它受到的瞬态阻抗将不断减小。因为当圆的半径增加时，单位长度电容就增加。下面建立一个简单模型来估算两平面间的瞬态阻抗，并且可以领会如何优化叠层设计

34、和减小这种地弹效应。当信号在两平面间向外辐状传播时，为了计算信号受到的瞬态阻抗，要先计算出辐状传输线的单位长度电容和信号速度。信号感受到的单位长度电容就是半径增加单位长度时电容的增量。返回电流受到的总电容为：h表示平面间的距离；r表示耦合圆不断“扩张”的半径，“扩张”速度为光速。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础474.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换随着半径的增加，电容的增量（即单位长度电容）为：随着返回电流远离过孔，电流受到的瞬态阻抗为：Z表示两平面间返回电流受到的瞬态阻抗CL表示平面间单位长度的耦合电容v表示介质中的信号速度h表示平面间的距离r表示耦合圆不断“扩张”

35、的半径，“扩张”速度为光速c表示真空中的光速第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础484.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换由于返回电流以信号速度传播，并且r=vt，所以返回电流受到的阻抗与时间的关系为：Z表示两平面间返回电流受到的瞬态阻抗，单位为；h表示平面间的距离，单位为in；t表示返回电流的传播时间，单位为ns。例如介质厚度为10mil，0.1ns后返回电流受到的阻抗为：Z=50.01/0.1=0.5。如果信号电流为20mA，则平面切换的0.1ns期间与信号电压相串联的地弹压降为20mA0.5=10mV。这个压降相对于1V的信号来说不大，但是若有10个信号号同同时时在在相

36、相同同的的参参考考面面间间切切换换时，信号线间的距离都小于0.6in，它们各自受到的阻抗都为0.5，则通过返返回回径径阻阻抗抗的的总总电电流流为为：20mA 10=200mA，这 时 产 生 的 地 弹 噪 声 为：200mA0.5=100mV，达到信号电压的10%。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础494.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换下图画出了返回电流受到的阻抗与时间的关系。图中，返回电流的阻抗只有在上升时间很短的情况下才很大，这段时间基本上小于0.5ns。介质厚度2mil和10mil时，当信号由过孔向外传播时，返回电流受到的阻抗。第四章第四章 传输线的物理基础传输

37、线的物理基础504.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换对应于一条信号线的电流跳变，当返回路径阻抗约为50的5%时，它的影响就相当大。如果有n个信号路径穿越这些平面并发生电流跳变时，返回路径最大可允许的阻抗为2.5/n。当当多多个个快快速速信信号号的的跳跳变变前前沿沿同同时时出出现现在在几几个个参参考考平面间时，在返回路径上产生的地弹电压就很大。平面间时，在返回路径上产生的地弹电压就很大。减减小小地地弹弹电电压压的的惟惟一一方方法法就就是是减减小小返返回回路路径径的的阻阻抗。抗。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础514.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换减小返回路径的

38、阻抗主要的措施有以下几种：1.当信号的路径转换层时，总要有一个有相同参考电压的相邻平面，并且在切换平面间的短短路路过孔应尽量靠近信号过孔。过孔应尽量靠近信号过孔。2.具具有有不不同同直直流流电电压压的的参参考考平平面面间间的的距距离离应应尽尽量量薄。薄。3.扩扩大大相相邻邻切切换换过过孔孔的的距距离离，以免在初始瞬间当返回路径的阻抗很高时，返回电流叠加在一起。有时认为，当两参考平面间切换返回电流时，在这两平面间并接一个去去耦耦电电容容器器，这样有助于减小返回路径的阻抗。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础524.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换为为了了起起到到有有效效作作用

39、用，在在上上升升时时间间内内，实实际际电电容容器必须使得两平面间的阻抗小于器必须使得两平面间的阻抗小于5050W W 5%=2.55%=2.5W W。实际电容器存在相应的回路电感和等效串联电阻，限制了分立电容器在短上升时间信号中的去耦作用。当使用分立电容器来减小返回路径的阻抗时，使用串联电感低的电容器比电容量大于1nF的电容器更有效。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础534.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换不同直流电压平面间的电容器并不能有效地控制切换平面引起的地弹。然而它可以为为较较低低频频段段噪噪声声提提供供额额外外的的去去耦耦作作用用，但是随着上升时间的缩短，它仍然

40、解决不了地弹问题。在多层板中，当信号路径必须变更不同电平参考层时，减小地弹电压的惟惟一一方方法法就是使参考平面间的介质尽量薄介质尽量薄。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础544.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换当信号在变更参考平面、电流在两相邻平面构成的传输线中流动时，会产生一个问题：电流在何处终止？电流向外传播，终究要碰到板的边沿。当信号电流跳变时，注入到两平面间的电流就在两平面上迅速反向流动，并在两平面间产生瞬变电压。由于两平面间的阻抗很小，远小于1，因此产生的瞬变电压很低。然而当多个信号同时切换平面时，每个信号都给平面注入一定的噪声。跳变的信号越多，产生的噪声就越大

41、。注入到平面的电流由信号的阻抗（约50）决定，而两平面间产生的电压噪声取决于平面间的阻抗。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础554.11 返回路径平面的切换返回路径平面的切换将相邻平面层内的电路板边沿之间电压的来回反射称为平面间的谐振。边长为1020in的电路板，谐振频率范围为150MHz300MHz。这就是不同电压的平面间的电容能起到一些改善作用的原因。为为了了减减小小谐谐振振电电压压，特特别别是是小小型型多多层层封封装装中中，避避免免返返回回电电流流在在不不同同的的平平面面间间切切换换非非常常重重要要。相相邻邻返返回回层层的的直直流流电电压压必必须须相相同同，而而且且应应当当在

42、在信信号号路路径径附附近近用用过过孔孔来来连连接接返返回回路路径径。这这样样就就可可以以避避免免在在平平面面间间注注入入电电流流，并避免平面谐振的产生。并避免平面谐振的产生。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础564.12 传输线的一阶模型传输线的一阶模型（本节是计算传输线特性阻抗及其他参数的经验法则）前面介绍的零阶模型，把传输线描述成一系列的相互间有一定间距电容的集合。那只是物理模型，并不是等效电气模型。把信号路径和返回路径导线的每一小段描述成回路电感，就可以进一步近似为物理传输线。如图所示，这个最简单的传输线等效电路模型中，每两个小电容就被一个小回路电感隔开。图中C表示两导线间的

43、电容，L表示两小节之间的回路电感。上：均匀传输线的物理结构。下：由电容和电感组成的传输线一阶等效电路模型近似第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础574.12 传输线的一阶模型传输线的一阶模型 当信号在传输线上传播时，实际传播的是从信号路径到返回路径的电流回路。因此所有信号电流流经一个回路电感，此回路电感由信号路径段和返回路径段构成。对对于于传传输输线线上上的的信信号号传传播播和和大大多多数数串串扰扰来来说说，只只有有回回路电感才是重要的。路电感才是重要的。这个集总电路模型是理想传输线的近似。在极端的情况下，若电容和电感逐渐细小化并且分成的节数越多，近似程度就越好。总电容和总电感分别为

44、：CL表示单位长度电容LL表示单位长度电感Len表示传输线长度第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础584.12 传输线的一阶模型传输线的一阶模型只看这个LC电路，很难想象信号是如何传输的。乍一看，可能会认为这有很多振荡和谐振。但是，当各元件是无穷小时。运用网络理论，根据传输线的线参数和总长度，可以计算出传输线的特性阻抗和时延：Z0表示特性阻抗，单位LL表示传输线的单位长度回路电感CL表示传输线单位长度电容TD表示传输线的时延Ltotal表示传输线的总回路电感Ctotal表示传输线的总电容v表示传输线中的信号速度第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础594.12 传输线的一阶模

45、型传输线的一阶模型因为信号速度与单位长度电容与电感的关系为：由特性阻抗和速度的关系及传输线的时延和特性阻抗的关系可得：第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础604.12 传输线的一阶模型传输线的一阶模型例如，传输线的特性阻抗为50，FR4介电常数 为 4，则 单 位 长 度 的 电 容 为CL=83/502=3.3（pF/in），单位长度电感为：LL=0.08350 2=8.3（nH/in）。如如果果线线宽宽加加倍倍，则则为为了了保保持持特特性性阻阻抗抗不不变变，电电介质的厚度也应加倍，此时单位长度电容不变介质的厚度也应加倍，此时单位长度电容不变。介介电电常常数数为为4 4的的50W

46、W传传输输线线的的单单位位长长度度电电容容约约为为3.3pF/in，单位长度电感约为，单位长度电感约为8.3nH/in。这这些些与与传传输输线线相相关关的的电电容容、电电感感、特特性性阻阻抗抗和和介介电电常常数数之之间间的的关关系系式式，适适用用于于所所有有的的传传输输线线，而且与传输线的横截面几何形状无关。而且与传输线的横截面几何形状无关。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础614.13 特性阻抗的近似计算特性阻抗的近似计算设计一个特定的特性阻抗，实际上就是不断调整线宽、介质厚度和介电常数的过程。如果知道传输线的长度和导线周围材料的介电常数，就可以计算出特性阻抗以及所有其他参数。从

47、导线的横截面几何结构中求解特性阻抗，通常可以使用的分析方法有三种：1.经验法则2.解析近似法3.二维场求解器第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础624.13 特性阻抗的近似计算特性阻抗的近似计算对于FR4板上微带线和带状线，有两个关于特性阻抗的最重要经验法则。图示例了50传输线的两种横截面。由由经经验验可可得得，FR4板板上上50W W微微带带线线的的线线宽宽等等于于介介质质厚厚度度的的两两倍倍。50W W的的带带状状线线，两两平平面面间间总总的的介介质质厚厚度度等等于线宽的两倍。于线宽的两倍。50W传输线的两种不同比例的横截面。左：w=2h，右：b=2w第四章第四章 传输线的物理基

48、础传输线的物理基础634.13 特性阻抗的近似计算特性阻抗的近似计算只有三种类型的横截面有精确的公式，这三种横截面为：同轴型、双圆杆型、圆杆-平面型。同轴型的特性阻抗与横截面的关系式为：平行双圆杆型的特性阻抗为：圆杆-平面型的特性阻抗为：第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础644.13 特性阻抗的近似计算特性阻抗的近似计算这些关系式假设电场空间中全部均匀填充了介质，否则只能通过场求解器计算。对于微带线，IPC推荐的通用近似式为：对于带状线，IPC推荐的通用近似式为：h表示信号线与平面间的介质厚度，单位为mil；w表示线宽，单位为mil；b表示平面间距离，单位为mil；t表示金属厚度，

49、单位为mil；第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础654.13 特性阻抗的近似计算特性阻抗的近似计算如果忽略线条厚度的影响，这两种结构的特性阻抗仅与介介质质厚厚度度和和线线宽宽的的比比值值有关，只要这个比例不变，特性阻抗就恒定不变！这个关系式很重要！第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础664.14 用二维场求解器计算特性阻抗用二维场求解器计算特性阻抗如果要求精度优于10%，就不能使用近似法计算需要用诸如二维场求解器来计算。二维场求解器是计算阻抗的最重要工具，也是工程师的必备工具。均均匀匀的的几几何何结结构构是是二二维维场场求求解解器器的的基基本本前前提提，即即整整条条传输线

50、的横截面形状是相同的。传输线的横截面形状是相同的。以下将微带线的计算结果与IPC近似估算加以比较。在50附近或大于50处，二者吻合得很好。但是当阻抗较低时，IPC的近似偏差高达25%。对带状线也做相同的比较，二者在50附近吻合得很好。但是当阻抗较低时，IPC的近似偏差高达25%。所以当要求高精度时就不能用近似法。第四章第四章 传输线的物理基础传输线的物理基础674.14 用二维场求解器计算特性阻抗用二维场求解器计算特性阻抗对微带线的特性阻抗，场求解器结果（圆点）和IPC近似（曲线）的比较，其中微带线为FR4介质，厚度为10mil，导线为0.5盎司铜。（线越宽电容越大，特性阻抗越小）（线越宽电容