傳輸線理論

相較于低速設(shè)計，高速設(shè)計中的信號由于頻率高，信號的邊沿上升時間快，信號傳輸過程PCB各類組件的寄生參數(shù)影響增加，在接收端接收到的信號幅度會出現(xiàn)衰減，相位和時序會發(fā)生變化。

為了能對高速信號的傳輸過程精確描述，使信號在接收端能夠在其邏輯閾值內(nèi)對發(fā)送信號進行解析，傳輸線理論在這一類分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

作者說，傳輸線就像高速公路一樣，需要滿足雙向車道不同方向的形成需求，類比高速信號，就是信號路徑與信號回流路徑。傳輸線由兩個金屬層及夾在兩個金屬層之間的電介質(zhì)絕緣層組成。在高速電路設(shè)計中有兩種常用的傳輸線，分別是微帶線和帶狀線，如下圖所示：

微帶線的模型

帶狀線的模型

由上圖可知，微帶線分布在PCB的最外層，一般只有一邊有參考平面，帶狀線分布在層內(nèi)，有兩個參考平面。

信號是以電磁波的形式進行傳播的，對于高速電路的理解，要用電磁場的“電”和“場”的理論去理解，如下圖所示：

電磁場在空間的傳播及電磁空間分布

那么，當傳輸介質(zhì)的物理特性發(fā)生變化時，電磁場的交替建立過程不能順利延續(xù)，電磁波就會改變傳輸方式，對外的表現(xiàn)就是出現(xiàn)信號的反射和串擾，也就出現(xiàn)了信號完整性的問題。

信號的推進過程

我們要知道電流永遠都是一個回路，電流總是趨于流向阻抗低的路徑。作者說信號的傳輸過程不是從發(fā)送端經(jīng)過傳輸線的信號發(fā)送路徑到達接收端，再從接收端經(jīng)過返回路徑返回到發(fā)送端，而是信號在傳輸線周圍空間形成交變的電磁場。

信號在發(fā)送路徑和返回路徑之間建立電磁場，從而使得兩導線之間會產(chǎn)生電壓，這個電壓是沿著傳輸線逐步向前推進的。如下圖所示為信號的推進過程：

信號的推進過程

信號的推進過程可以看成是給發(fā)送路徑和返回路徑之間的一個個電容器充電的過程，信號每向前移動一段，就要把一些正電荷加到發(fā)送電路，加一些負電荷到接收線路上。那么在恒定時間t內(nèi)就有恒定的電量Q流出，就可以得到恒定的電流。

信號的電壓由信號源決定，而電流的大小取決于每步長度的電容和電容充電時間的長短，這和信號每步感受到的阻抗相關(guān)，這個阻抗稱為瞬態(tài)阻抗。如果信號在傳輸過程的每一步瞬態(tài)阻抗都相同，那么稱該傳輸線為可控阻抗的傳輸線。這是傳輸線的一個重要特性，稱為特性阻抗。

影響特性阻抗的因素

影響特性阻抗的主要因素有線寬、介質(zhì)厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、PCB走線的銅皮厚度和PCB走線距離參考平面（信號回流平面）的距離。實際的傳輸線還存在信號損耗，主要包含阻性損耗、介質(zhì)損耗、相鄰耦合損耗、反射損耗和輻射損耗。

審核編輯：劉清