李玉山 信号完整性(SI)分析-7 8特性阻抗.pdf

高速电路与系统互连设计中 信号完整性(SI)分析 (之7~8[七]：传输线模型、时延、阻 抗与返回路径) 李玉山 西安电子科技大学电路CAD研究所 7.0 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！ 这里所说的三种阻抗是万变不离其宗，仍然是阻抗的基 本定义。只不过将传输线始端的输入阻抗 (简称为阻抗)； 将信号随时遇到的及时阻抗成为瞬态阻抗。如果在信号前 进的过程中，传输线的横截面，包括信号路径与返回路径 的几何结构都不变，则称其为特性阻抗。 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。 提示 传输线由两条有一定长度的导线组成。 　图7.1给出传输线，把一条称为信号路径，另一条称为返 回路径。 signal path ──信号路径 return path ── 返回路径 Length ── 长度 图7.1 传输线由任意两条有一定长度的导线组成。其中一条标记 为信号路径，另一个为返回路径 一种错误观点：线阻抗怎么是50Ω？是并联还是串联？ 传输线是一种新的理想电路元件。两个非常重要的特征 特性阻抗和时延，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。但是，与 L-C 近似相比，理想传输线模型 (彻底 的分布式)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。将理想传输线这一电路元件添加到工具箱中， 明显增强对信号与互连线相互作用的表达能力。 7.1 滥用“地”和“接地” 以往，我们总是将传输线的返回路径简单地当作地线。 　　提示 将第二条线当作地，所引出的问题要比解决的问题多得多。相反，使 用返回路径这一术语是一个良好的习惯。 　　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。我们应当习惯于把其他导体 看作是返回路径，这样做非常有益。 信号完整性的许多问题，都是返回路径设计不当产生 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。这是一种完全错误的观点。 返回电流是要紧靠信号电流。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。 GROUND ──地 图7.2 不要再使用“地”这个词，可避免许多问题 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。在原理图设计中，它被标记为接地。 参见图7.2，从现在起要将其称作返回路径，将来会免 除很多问题。 7.2 信号 在确定信号与互连线间的相互作用时，两导线同等重 要。 当两条线是一样时，如双绞线，信号路径与返回路径 没有严格的区分。可以指定任意一条为信号路径，而另一 条为返回路径。 如果两条导线不相同，如微带线，我们通常把较窄的 那条叫做信号路径，而把平面称为返回路径。 信号接入传输线后，以材料中光速在导线中传输。在信 号加入到传输线片刻之后，姑且暂时把时间停滞，沿着传 输线测量信号大小。信号总是指信号路径和返回路径之间 相邻两点的电压差，如图 7.3 所示。 signal path──信号路径 return path──返回路径 图 7.3 某一时刻信号波形,信号指信号线和返回线两点间的电