传输线理论与信号完整性分析.ppt

Gigalight confidential 传输线理论与 信号完整性分析 一、传输线理论 §1.什么是传输线 什么是传输线呢？任何2个有长度的导体就是传输线，如下图所示。对于传输线，要彻底忘记“地”的概念，所谓的地不过是信号的返回路径。所以传输线就是由信号路径和其返回路径构成的. 信号在传输线上的传播速度到底是多少呢？假定传输线介质的介电常数为4.空气中信号的速度为 3000, 000km每秒，即30cm/nsec.那么在介质中的速度就为 : 多长的走线才是传输线？ 这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。 对于传输时间信号上升时间的线路，由于对信号的影响微乎其微，所以在此不做讨论。 假设有一段60英寸长的PCB走线，如图1所示，返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面，信号线和地平面间在远端开路。 在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns时间，信号在线条上还是走了6英寸。 传输线理论 §2.传输线令人迷惑的阻抗 阻抗是什么？和电阻有什么不同？为什么经常会说50欧姆阻抗，75欧姆阻抗的概念？初学者可能会被这一系列问题困扰。电阻是直流特性，不考虑电感和电容效应。而在交流信号的时候则需要考虑电感和电容，阻抗也一般就是指交流阻抗。那什么是特征阻抗呢(Characteristic Impedance)？先了解一下什么是瞬时阻抗(instantaneous impedance)吧。 因为在信号线条和返回地平面间存在寄生电容，如下图所示。当信号向前传播过程中，A点处电压不断不变化，对于寄生电容来说，变化的电压意味着产生电流，方向如图中虚线所示。因此信号感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻抗，寄生电容构成了电流回流的路径。信号在向前传播所经过的每一点都会感受到一个阻抗，这个阻抗是变化的电压施加到寄生电容上产生的，通常叫做传输线的瞬态阻抗。 传输线理论 每个单元传输的时间Δt=Δx/V Z = 电压/通过电流 C =CL*Δx （CL=单位长度电容）ΔQ = C*V I = ΔQ/Δt = (v*CL*Δx*V)/Δx = v*CL*V 最终的出：Z = V/I =V/V*CL*V = 1/v*CL 瞬时阻抗的特点是： 和电容成反比 看上去像电阻 只和自身内在的特性有关 和长度无关 特征阻抗是均匀传输线的瞬时阻抗， 具有瞬时阻抗的所有特点。所谓的均匀 传输线，诸如PCB上的微带线，和同轴 电缆等等。 特征阻抗Z0= 1 / (V*CL) 传输线理论 §3.传输线差分/共模阻抗和奇模/偶模阻抗之间的关系 传输线理论 传输线差分阻抗和共模阻抗概念比较容易理解，但是奇模偶模阻抗概念比较难理解。 奇模和偶模是相对于地来说的，以地作为参考面。而差分线是相对于2根线之间的关系来说的。下图是奇模和偶模的模型图： 奇模（odd）是两个相位相反的电压信号，偶模（even）是两个相位相同的信号。 如果差分和共模的情况的话，如下图所示： 对于差分信号来说，差分信号阻抗是奇模阻抗的2倍。 对于共模信号来说，共模信号阻抗是偶模阻抗的一半。 传输线理论 §4.避免传输线串扰的8个设计原则 1.在走线约束允许的情况下，应该使每根线之间的间距S尽量的大 *这个很容易理解，线之间的间距大，其分布电容电感之间的影响就小，电磁场耦合也会变小 2.在满足阻抗要求的情况下，应该使传输线和参考平面间的距离越小越好（减小H）。这样做会让传输线和参考平面更紧密的耦合，减少临近线的干扰 *设计中要尽量减小H，但也不是无限制的，还受到制造工艺的限制。 3.对于关键信号（例如时钟信号）用差分走线，如果系统设计允许的话 *差分信号的共模抑制好，能有效的抑制临近线的干扰。但是很多时候系统设计就是单端模式。 4.如果不同层的信号存在严重的干扰（如M3和M4之间），那么走线时要让这2层走线方向垂直 *这是通常的基本原则。相互垂直的线，电场和磁场也分别是相互垂直的，可以减少相互间的串扰。 5.如果可能的话，信号走带状线或者嵌入式微带线，以减少传播速度变化的影响。 *带状线的传播速度是不受串扰影响的，而微带线会受串扰影响。传输线传播速度变化会引起时序问题，所以尽量走嵌入式微带线。 6.减少线之间平行距离的长度。走线应该使平行长度尽量短，使网络间耦合的部分尽量小。 7.合理分布板子上元件，使走线的拥挤程度最低。 *还是在几何空间上减少干扰 8.使用慢的上升/下降沿。但是这样做需要很谨慎，因为这样做可能会带来其他负面影响