高速電路板設(shè)計(jì)之傳輸線理論及實(shí)踐

1、Page 1Unrestricted Internal Use高速電路板設(shè)計(jì) 之傳輸線理論及實(shí)踐Hong yang LiDec. 2010Page 2Unrestricted Internal Use一，傳輸線理論 當(dāng)信號(hào)延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)跳變時(shí)間時(shí), 信號(hào)線必須當(dāng)作傳輸線一個(gè)沒(méi)有合適端接的傳輸線容易產(chǎn)生反射，導(dǎo)致信號(hào)的失真，在負(fù)載端產(chǎn)生振鈴，使系統(tǒng)速度變慢，甚至使系統(tǒng)時(shí)序錯(cuò)亂，使系統(tǒng)不能正常的工作Page 3Unrestricted Internal Use傳輸線模型上圖為傳輸線模型電感0和電容0均勻地分布在線上，它們的單位是亨利單位長(zhǎng)度和法拉單位長(zhǎng)度從這個(gè)模型可以得到兩個(gè)重要的參數(shù)：阻抗0

2、和傳輸延遲時(shí)間PD0在一個(gè)無(wú)損的信號(hào)線上，0是一個(gè)交流阻抗，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)純電阻，單位是歐姆，并且Page 4Unrestricted Internal Use傳輸延遲時(shí)間同樣也取決于0和0，單位為時(shí)間單位單位長(zhǎng)度且傳輸線的分類(lèi)在高速電路板設(shè)計(jì)中，只可能碰到兩種傳輸線：帶狀線（stripline）和微帶線（microstrip），Page 5Unrestricted Internal Use如上圖所示，帶狀線是指信號(hào)線夾在兩個(gè)電源層之間，理論上它能最好地傳輸信號(hào)，因?yàn)樗鼉蛇叾加须娫磳悠帘危懿恍?，它讓信?hào)線隱藏在內(nèi)部，不利于測(cè)試微帶線的信號(hào)線在外層，地層在信號(hào)線的另一邊，這樣就易

3、于測(cè)試下圖為微帶線，Page 6Unrestricted Internal UsePage 7Unrestricted Internal Use對(duì)于微帶線：Page 8Unrestricted Internal Use分布負(fù)載的傳輸線的阻抗計(jì)算上一節(jié)對(duì)傳輸線阻抗的計(jì)算是針對(duì)在傳輸線的末端接上集總負(fù)載的情況，如下圖所示：如果負(fù)載是分布在傳輸線上時(shí)，這些負(fù)載電容將分布在傳輸線上，并增加線電容，這樣就改變了傳輸線的特征參數(shù)阻抗0和傳輸延遲時(shí)間PD0改變后的計(jì)算公式如下Page 9Unrestricted Internal Use上圖是分布負(fù)載的模型Page 10Unrestricted Intern

4、al Use二反射信號(hào)源產(chǎn)生帶有能量的信號(hào)，接入阻抗為0的傳輸線，盡管傳輸線被視為一個(gè)電阻，但它并不消耗能量，信號(hào)的能量必須通過(guò)負(fù)載阻抗吸收從信號(hào)源到負(fù)載的最大能量傳輸要求負(fù)載阻抗等于源阻抗如果兩者不相等，那么信號(hào)的一部分能量被負(fù)載吸收，一部分被反射回信號(hào)源，信號(hào)源就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化去補(bǔ)償輸出這樣，負(fù)載端的信號(hào)波形就可以當(dāng)作反射波與信號(hào)源輸出的疊加反射波怎么樣，取決于線阻抗與負(fù)載阻抗的失配情況及信號(hào)跳變時(shí)間與傳輸延遲時(shí)間的比率RPD如果跳變時(shí)間遠(yuǎn)大于傳輸延遲時(shí)間，信號(hào)反射回信號(hào)源時(shí)，信號(hào)源的輸出只改變一點(diǎn)點(diǎn)，所以反射對(duì)信號(hào)只引起小小的擾動(dòng)，在負(fù)載端表現(xiàn)為小小的過(guò)沖如果傳輸延遲時(shí)間足夠大，以至當(dāng)

5、反射信號(hào)返回信號(hào)源時(shí)，信號(hào)源的輸出已經(jīng)改變了許多，這樣信號(hào)源就得作出較大的變化去補(bǔ)償輸出，而負(fù)載端又反射信號(hào)新一輪的變化，這樣就產(chǎn)生了所謂的振鈴過(guò)沖的幅度跟信號(hào)線的長(zhǎng)度成比例地變化，直到傳輸延遲時(shí)間等于跳變時(shí)間時(shí)，過(guò)沖的幅度會(huì)和源信號(hào)的跳變幅度一樣大Page 11Unrestricted Internal Use一般認(rèn)為，當(dāng)跳變時(shí)間小于傳輸延遲時(shí)間的倍時(shí)，信號(hào)線將當(dāng)成傳輸線而保守一點(diǎn)，則認(rèn)為當(dāng)跳變時(shí)間小于倍的傳輸延遲時(shí)間時(shí)，信號(hào)線將當(dāng)作傳輸線由此，可以判斷上面所討論的微波線在多大長(zhǎng)度時(shí)將被視為傳輸線下表給出了倍時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)線長(zhǎng)度RPD對(duì)于跳變時(shí)間為ns的器件的信號(hào)線，當(dāng)長(zhǎng)度小于8.6英寸時(shí)，不

6、必把它當(dāng)作傳輸線而對(duì)于高速器件，甚至只有英寸的信號(hào)線，也可能是傳輸線在實(shí)踐中，常常把高速器件的所有信號(hào)線都當(dāng)作傳輸線Page 12Unrestricted Internal Use如果傳輸線的負(fù)載為分布負(fù)載，那么傳輸線的最小長(zhǎng)度會(huì)更小，如下表所示Page 13Unrestricted Internal Use三端接反射在大多數(shù)系統(tǒng)中影響很大，所以需要一種技術(shù)來(lái)消除，至少減小這個(gè)反射由于反射在0L時(shí)，才能消除，所以可以通過(guò)在負(fù)載端并聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)減小負(fù)載阻抗以消除第一次反射，這種方法稱(chēng)為并聯(lián)端接也可以通過(guò)在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)增加源阻抗以消除第二次反射，這種方法稱(chēng)為串聯(lián)端接上圖為一并聯(lián)端接模式，由

7、于輸入阻抗往往都很高，所以通常并聯(lián)阻值就等于源端輸出阻抗這種接法有個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)高電平輸出時(shí)電流消耗太大因?yàn)椴⒙?lián)阻值一般就是歐姆Page 14Unrestricted Internal Use上圖是戴維寧并聯(lián)端接，這種方法可以大大減小對(duì)輸出電流的需求兩個(gè)電阻的并聯(lián)阻值等于輸出阻抗它的缺點(diǎn)就是增加了直流電源的功耗Page 15Unrestricted Internal Use上圖用一個(gè)串聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)作為并聯(lián)端接，其中值等于輸出阻抗，電容為幾十?dāng)?shù)量級(jí)，確切的容量并不重要，它只是用來(lái)通高頻阻低頻的這樣對(duì)于輸出驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，就不存在直流負(fù)載了與一般的并聯(lián)終端比較會(huì)有較少的電力消耗終端方式是最佳的一種并聯(lián)終端方

8、式Page 16Unrestricted Internal Use還有一個(gè)消除反射的方法就是串聯(lián)端接，如上圖所示，就是在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻，這個(gè)電阻可認(rèn)為是源阻抗的一部分，這樣就可以增加源阻抗到TS0以消除第二次反射這種端接對(duì)于集總負(fù)載工作的很好由于TS0，所以TS與0的分壓使跳變減為原來(lái)的一半，這個(gè)信號(hào)傳輸?shù)截?fù)載端后（負(fù)載阻抗很大）被完全反射，反射信號(hào)與原信號(hào)疊加在一起后，信號(hào)大小又翻倍，就與源信號(hào)大小一樣了這樣就可利用第一次反射來(lái)達(dá)到輸出信號(hào)完全傳送到負(fù)載端反射信號(hào)返回到輸出端時(shí)，由于TS0而被完全傳輸，不再發(fā)生第二次反射對(duì)于負(fù)載為分布負(fù)載時(shí)，串聯(lián)端接是一種很危險(xiǎn)的作法通常一個(gè)非常匹配的端

9、接是不可能的，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的高電平輸出阻抗和低電平輸出阻抗是有差別的這使得端接電阻選擇變的很難，因?yàn)椴豢赡苡幸粋€(gè)對(duì)于兩種情況都很理想的端接電阻，設(shè)計(jì)者必須折中選擇Page 17Unrestricted Internal Use端接實(shí)例：下圖為CS1600由arm芯片輸出給sensor的時(shí)鐘信號(hào)，源端匹配電阻為歐姆Page 18Unrestricted Internal Use將源端串聯(lián)匹配電阻改為22歐姆，上下沖明顯消失Page 19Unrestricted Internal Use下圖是sensor板的數(shù)據(jù)信號(hào)波形，沒(méi)有加任何處理措施Page 20Unrestricted Internal U

10、se下圖是增加了串聯(lián)匹配電阻，阻值為82歐姆，信號(hào)波形明顯改善，也減小了對(duì)的貢獻(xiàn)Page 21Unrestricted Internal Use下圖是對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行的串聯(lián)的并聯(lián)終端匹配，由于實(shí)驗(yàn)室器件有限，所以選用阻值為歐姆，容值270pF的電容，也有明顯改善Page 22Unrestricted Internal Use四傳輸線的布線規(guī)則合適端接可以保證信號(hào)的抗干擾性，但仍然有可能因不適當(dāng)?shù)牟季€導(dǎo)致較大的噪聲下面的布線規(guī)則可增強(qiáng)電路板的性能避免傳輸線的阻抗不連續(xù)性阻抗不連續(xù)點(diǎn)就是傳輸線突變的點(diǎn)，如直拐角，過(guò)孔等，它將產(chǎn)生信號(hào)的反射，所以應(yīng)盡可能避免布線時(shí)注意以下幾點(diǎn)：避免走線的直拐角，盡可能用

11、45度角走線，或弧線盡可能少用過(guò)孔，因?yàn)槊恳粋€(gè)過(guò)孔都是一個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)外層的信號(hào)避免通過(guò)內(nèi)層，內(nèi)層的信號(hào)也避免跑到外層因?yàn)闉閮?nèi)層信號(hào)屬于帶狀線，而外層信號(hào)屬于微波線，兩種不同類(lèi)型的傳輸線的阻抗是不同的不要用樁線布線時(shí)很容易走出如下圖所示的那樣的樁線，這些都是噪聲源Page 23Unrestricted Internal Use如果樁線很短，那么只需在末端端接就可以了，盡管分布的負(fù)載降低了傳輸線的阻抗如果樁線足夠長(zhǎng)的話，也是一條條的傳輸線，它以主傳輸線為源，同樣地產(chǎn)生反射，情況就變得很復(fù)雜所以應(yīng)避免長(zhǎng)的樁線上圖可改為如下圖所示的兩條走線，并在兩條線的末端都作端接處理Page 24Unrestri

12、cted Internal UseFor a driver with 33 ohm output impedance driving a single-ended trace with 65 ohm characteristic impedance, what would you use for the source termination resistor?10 ohm22 ohm33 ohm47 ohmTESTPage 25Unrestricted Internal UseTESTFor the following circuitry:Page 26Unrestricted Internal Use11/3/2021Unrestricted Internal Use26Which one is the voltage waveform at point A?Page 27Unrestricted Internal