信號完整性分析課件：Ch7 傳輸線的物理基礎(chǔ)

1、Ch7 傳輸線的物理基礎(chǔ) PCB/封裝有大量高密度的金屬走線，它們在當(dāng)代電子系統(tǒng)中表現(xiàn)出怎樣的電氣特性呢？我們經(jīng)常談?wù)摬⑹褂脗鬏斁€這一術(shù)語。那么，傳輸線到底是什么？同軸電纜是一種傳輸線，多層板中的PCB線條也是一種傳輸線。T I P 簡單地說，傳輸線是由兩條有一定長度的導(dǎo)線組成的。我們知道，傳輸線用于將信號從一端傳輸?shù)搅硪欢?。圖7.1闡明了所有傳輸線的一般特征。為了區(qū)分這兩條導(dǎo)線，我們把一條稱為信號路徑，另一條稱為返回路徑。7.1 不再使用“地”這個(gè)詞 當(dāng)把另一條路徑當(dāng)作地時(shí)，我們通常會把它看成是公共的電流低洼處。返回電流流進(jìn)這里，又從這里流向其他接地處。這是一種完全錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。返回電流是緊靠

2、著信號電流的。前一章講到，高頻時(shí)，信號路徑和返回路徑的回路電感要最小化，這就意味著只要導(dǎo)體的情況允許，返回路徑會盡量靠近信號路徑分布。T I P 將第二條線當(dāng)作地，所引出的問題要比解決的問題多得多。相反，使用返回路徑這一術(shù)語是一個(gè)良好的習(xí)慣。7.2 The Signal 當(dāng)信號沿傳輸線傳輸時(shí)，它需要同時(shí)用到信號路徑和返回路徑。所以在確定信號與互連之間的相互作用時(shí)，兩導(dǎo)線是同等重要的。 當(dāng)兩條線一樣時(shí)，如雙絞線，信號路徑與返回路徑?jīng)]有嚴(yán)格的區(qū)分，即可以指定任意一條為信號路徑，而另一條為返回路徑。如果兩條導(dǎo)線不相同，如微帶線，則通常把較窄的那條稱作信號路徑，而把平面稱為返回路徑。把信號接入傳輸線時(shí)

3、，它就以材料中的光速在導(dǎo)線中傳輸。在信號加入到傳輸線一段時(shí)間之后，可以暫時(shí)把時(shí)間停滯下來，并沿著傳輸線測量信號的大小。信號總是指信號路徑和返回路徑之間相鄰兩點(diǎn)的電壓差，如圖7.3 所示。傳輸線上某一時(shí)刻信號的波形，信號是信號線和返回線之間相鄰兩點(diǎn)的電壓差.7.3 均勻傳輸線可以按傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)對傳輸線加以分類。幾何結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)基本特征完全決定了傳輸線的電氣特性，它們是：導(dǎo)線沿線橫截面的均勻程度和兩導(dǎo)線的相似度和對稱程度。如果導(dǎo)線上任何一處的橫截面都相同，比如同軸電纜，則稱這種傳輸線為均勻傳輸線。圖7.4給出了幾種均勻傳輸線的示例。互連中常用的各種均勻傳輸線的橫截面舉例.在整條導(dǎo)線中，若幾何結(jié)

4、構(gòu)或材料屬性發(fā)生變化，傳輸線就是不均勻的。例如，如果兩條導(dǎo)線的間距是變化的而不是恒定的，那么它就是非均勻傳輸線。雙列直插封裝(DIP)或扁平封裝(QFP)中的一對引腳就是非均勻傳輸線，連接件的相鄰線條通常也是非均勻傳輸線，PCB板上的線條如果沒有返回路徑平面很可能也是非均勻傳輸線。非均勻傳輸線除非線條走線足夠短，否則就會引起信號完整性問題，所以應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生。T I P 在信號完整性的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，其中一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)就是：將所有的互連都設(shè)計(jì)成均勻傳輸線并減小所有非均勻傳輸線的長度。另一個(gè)影響傳輸線的幾何參數(shù)就是兩條導(dǎo)線的相似程度。如果兩導(dǎo)線的形狀和大小都一樣，即它們是對稱的，就稱這種傳

5、輸線為平衡傳輸線。雙絞線的每條導(dǎo)線看起來都是一樣的，雙絞線 同軸電纜共面線微帶線嵌入微帶線帶狀線非對稱帶狀線因此它是對稱的，所以是一種平衡傳輸線。共面線是在同一層并列的兩條窄帶線，它也是一種平衡傳輸線。同軸電纜是非平衡傳輸線，因?yàn)樗闹行膶?dǎo)線要比外面的導(dǎo)線細(xì)。微帶線也是一種非平衡傳輸線，因?yàn)閮蓷l導(dǎo)線的寬度不一樣，一條比較窄，另一條比較寬。同理，帶狀線也是非平衡傳輸線。T I P 一般而言，絕大多數(shù)傳輸線，無論是平衡的還是非平衡的，它們對信號的質(zhì)量和串?dāng)_效應(yīng)都不會造成什么影響。然而，返回路徑的具體結(jié)構(gòu)將嚴(yán)重影響地彈和電磁干擾問題。 無論傳輸線是均勻的還是非均勻，是平衡的還是非平衡的，它都只有一個(gè)

6、作用：在可接受的失真度下，把信號從一端傳輸?shù)搅硪欢恕?.4 銅中電子的速度T I P 電子的運(yùn)動(dòng)速度約為 1 cm/s，這相當(dāng)于螞蟻在地上爬的速度。7.5 傳輸線上信號的速度既然不是電子的速度決定信號的速度，那么是什么決定信號的傳播速度呢？T I P 導(dǎo)線周圍的材料、信號在傳輸線導(dǎo)體周圍空間形成交變電磁場的建立速度和傳播速度，決定了信號的傳播速度。當(dāng)信號在傳輸線中傳輸時(shí)，電場就隨之建立了。信號的速度取決于其在信號路徑與返回路徑周圍材料中交變電場和磁場的建立速度和傳播速度.實(shí)際上，電場和磁場建立的快慢決定了信號的速度。這些場的傳播和相互作用可以由麥克斯韋方程加以描述?；蛘哒f，只要電場和磁場在變化

7、，它們形成的場鏈就向外傳播，它的速度取決于一些常數(shù)和材料特性。T I P 空氣中，相對介電常數(shù)和相對導(dǎo)磁率都為1，光的速度約為12 in/ns。這是個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)法則，熟記它非常有用。T I P 記住這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則：絕大多數(shù)互連中的光速約為(12 in/ns)/ 4 = 6in/ns。當(dāng)估算電路板互連中信號的速度時(shí)，就可以假定它約為6 in/ns。這說明當(dāng)信號在FR4上長為6in的互連中傳輸時(shí)，時(shí)延約為6in/(6in/ns)，即約為1ns。如果傳輸長度為12in，則時(shí)延為2ns。 對于FR4，其線延遲約為1/6in/ns=0.166ns/in，或者170ps/in。所以0.5in長的BGA引線的

8、線延遲為170ps/in0.5in= 85ps。7.6 前沿的空間延伸 如果上升邊為0.1ns，則其空間延伸為0.6in.T I P 許多由于傳輸線非理想特性造成的信號完整性問題，都和突變與前沿空間延伸的相對大小有關(guān)。所以，弄清楚所有信號前沿的空間延伸是個(gè)好主意。7.7 “我若是信號” 1V的電壓加到導(dǎo)線上1ns后的電荷分布情況。這一瞬間，在我們(信號)的前面沒有電荷。T I P 從信號的角度看，當(dāng)我們以1ft/ns 的速度在導(dǎo)線上行走時(shí)，是用相等的時(shí)間使每ft 導(dǎo)線帶上電荷，從我們腳底出來的電荷量就是加到導(dǎo)線上的電荷量。相等時(shí)間間隔內(nèi)從我們腳底流出的電量相等說明注入導(dǎo)線的電流是恒定的。T I

9、 P 我們把信號在每步受到的阻抗稱為傳輸線的瞬時(shí)阻抗。沿著傳輸線往下走，信號將不斷地探測到每一步的瞬時(shí)阻抗。瞬時(shí)阻抗的值等于線上所加的電壓與電流之比，這個(gè)電流用于傳輸線的充電和信號向下一步的傳播。瞬時(shí)阻抗取決于信號的速度(它是一個(gè)材料特性)和單位長度的電容。對于均勻傳輸線，當(dāng)材料相同時(shí)，若沿線的橫截面積不變，信號受到的瞬時(shí)阻抗也是恒定的。信號與傳輸線相互作用的一個(gè)重要特征就是：當(dāng)信號遇到的瞬時(shí)阻抗變化時(shí)，一部分信號被反射，一部分更加失真；信號完整性會受到破壞。這就是對信號受到的瞬時(shí)阻抗需要加以控制的主要原因。T I P 減少反射問題的主要方法是：保持導(dǎo)線的幾何結(jié)構(gòu)不變從而使信號受到的瞬時(shí)阻抗保

10、持不變。這就是可控阻抗互連或保持沿線的瞬時(shí)阻抗不變的意義。7.8 傳輸線的瞬時(shí)阻抗傳輸線的零階模型由一系列電容器組成。每走一步就使一個(gè)電容器充上電，電容器之間的跨度就是我們的步長。 瞬時(shí)阻抗等于施加的電壓與流過元器件的電流的比值： 信號受到的瞬時(shí)阻抗僅由傳輸線的兩個(gè)固有參數(shù)決定，即由傳輸線的橫截面和材料的特性共同決定，與傳輸線的長度無關(guān)。只要這兩個(gè)參數(shù)保持不變，信號受到的瞬時(shí)阻抗就是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)然，和其他阻抗一樣，用于度量傳輸線瞬時(shí)阻抗的單位仍是。7.9 特性阻抗與可控阻抗 對于均勻傳輸線，當(dāng)信號在上面?zhèn)鞑r(shí)，在任何一處受到的瞬時(shí)阻抗都是相同的。這個(gè)瞬時(shí)阻抗可以表征傳輸線特性，這里我們把它稱作

11、特性阻抗。為了突出它是傳輸線所固有的特性阻抗，我們給它一個(gè)特殊的符號Z0(即Z 帶一個(gè)下標(biāo)零)，其單位是。每種均勻傳輸線都有特性阻抗，它是描述傳輸線電氣特性和信號與傳輸線相互作用關(guān)系的一個(gè)重要參數(shù)。T I P 有一種反映均勻傳輸線特性的恒定瞬時(shí)阻抗，我們把它稱作傳輸線的“特性阻抗”。T I P 特性阻抗描述了信號沿傳輸線傳播時(shí)所受到的瞬時(shí)阻抗，這是影響傳輸線電路中信號完整性的一個(gè)主要因素。特性阻抗在數(shù)值上與均勻傳輸線的瞬時(shí)阻抗相等，它是傳輸線的固有屬性，且僅與材料特性、介電常數(shù)和單位長度電容量有關(guān)，而與傳輸線長度無關(guān)。如果是均勻傳輸線，那么它僅有一個(gè)瞬時(shí)阻抗，我們稱之為特性阻抗。一種衡量傳輸線

12、均勻性的測度就是：沿線的瞬時(shí)阻抗是否為一常量。如果導(dǎo)線的寬度沿傳輸線而變化，那么整條傳輸線就沒有唯一的瞬時(shí)阻抗。 根據(jù)定義，非均勻傳輸線沒有特性阻抗。如果沿線的橫截面不變，信號沿互連傳播時(shí)所受到的阻抗就是恒定的，我們就說導(dǎo)線的阻抗是可控的。基于這個(gè)原因，我們把均勻橫截面?zhèn)鬏斁€稱為可控阻抗傳輸線。T I P 把沿線瞬時(shí)阻抗是一個(gè)常量的傳輸線稱作可控阻抗傳輸線。如果一塊電路板上的所有互連都是可控阻抗傳輸線，并且有相同的特性阻抗，我們就把這塊電路板稱作可控阻抗電路板。所有的高速數(shù)字產(chǎn)品，如果電路板的尺寸大于6in，而且時(shí)鐘頻率高于100MHz，就都應(yīng)制成可控阻抗電路板。可控阻抗傳輸線可以制造成任意的

13、均勻橫截面。許多標(biāo)準(zhǔn)橫截面的傳輸線都具有可控的阻抗，而且這一系列中的大多數(shù)成員都有自己特殊的名字。 有了單位長度的電容與特性阻抗關(guān)系，現(xiàn)在就可以把對電容的直覺認(rèn)識與對特性阻抗新的直覺認(rèn)識聯(lián)系起來了?，F(xiàn)在，我們基本上對電容和傳輸線單位長度電容有了很好的認(rèn)識。如果增加兩導(dǎo)線的寬度，就增加了單位長度的電容。如果增加兩導(dǎo)線間的距離，則單位長度的電容就減小。7.10 常見的特性阻抗只有自由空間這個(gè)377 的特性阻抗值，具有根本性的意義。其他的阻抗都可以是任意的?；ミB的特性阻抗可以是任意值，它只受到可制造性的限制。 那么，50 又是怎樣呢？為什么它的應(yīng)用如此廣泛？50 有什么特別之處? 大約100 年前，

14、對于確定外徑值的同軸電纜，選取特性阻抗是50 的原因就是為了使衰減減到最小。這個(gè)選擇標(biāo)準(zhǔn)后來成為提高無線電和雷達(dá)系統(tǒng)效率的一個(gè)準(zhǔn)則，這樣的電纜也很容易制造。隨著這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的確立，更多的系統(tǒng)采用這個(gè)特性阻抗是為了提高兼容性。如果所有的測試和測量系統(tǒng)都匹配到標(biāo)準(zhǔn)的50，儀器間的反射會變得很小，信號質(zhì)量會變得很好。每個(gè)系統(tǒng)對最佳特性阻抗的選擇都有自己的權(quán)衡。通常，這個(gè)最佳值并不是惟一的。只要整個(gè)系統(tǒng)采用的特性阻抗值都一致，精確值的選擇并不是非常重要的。除非系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，否則一般都采用50。在Rambus 公司的存儲器中，時(shí)序非常重要，選擇28 的低阻抗可以減小時(shí)延累加的影響。生產(chǎn)低阻抗傳輸線，要

15、求導(dǎo)線的寬度要足夠?qū)挕?在高速數(shù)字系統(tǒng)中，確定整個(gè)系統(tǒng)最佳特性阻抗的折中選擇項(xiàng)有很多種。50 是一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)。間距相同時(shí)，采用的特性阻抗越高，串?dāng)_就越嚴(yán)重。但是，高特性阻抗的連接件或雙絞線容易制造，從而價(jià)格更低。特性阻抗越低，串?dāng)_越小，對連接件、元件和過孔引起的時(shí)延累加就越不敏感；但同時(shí)，功率損耗就越高，而這在高速系統(tǒng)中非常重要。7.11 傳輸線的阻抗T I P 只要測量時(shí)間小于往返時(shí)間，歐姆表所測量到的輸入阻抗就是傳輸線的特性阻抗。T I P 傳輸線的輸入阻抗是由驅(qū)動(dòng)器測量信號進(jìn)入傳輸線前端的情況而得出的，它隨時(shí)間而變化。對于相同的傳輸線，根據(jù)末端的連接情況、傳輸線的長度和測量方法的不同

16、，它可以是短路，可以是開路，也可以是開路與短路之間的任意值。7.12 傳輸線的驅(qū)動(dòng)高速驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)傳輸線時(shí)，傳輸線的輸入阻抗在往返時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)為電阻性，其大小等于傳輸線的特性阻抗。在高速系統(tǒng)中，對驅(qū)動(dòng)器而言，長度大于幾英寸末端開路的互連并不表現(xiàn)為開路；而是在信號跳變期間，它表現(xiàn)為一個(gè)電阻器。當(dāng)互連足夠長而顯示出傳輸線特性時(shí)，驅(qū)動(dòng)器受到的輸入阻抗可能會隨時(shí)間而變化。這一特性將嚴(yán)重影響互連上傳播信號的性能。T I P 為了使初始加到傳輸線上的電壓更接近于源電壓，驅(qū)動(dòng)器的輸出源電阻就必須很小它的重要性僅次于傳輸線的特性阻抗。7.13 返回路徑在本章開始，我們就強(qiáng)調(diào)指出第二條線不是地，而是返回路徑。我們一

17、定要時(shí)時(shí)記住，所有的電流，無一例外，都必須構(gòu)成回路。T I P 電流總是在回路中流動(dòng)。如果一些電流流向別處，那么它一定會返回到源端。把電流加到傳輸線的信號路徑上，經(jīng)過長時(shí)間后的電流分布情況。那么何時(shí)電流從返回路徑上流出？ 信號電流經(jīng)過傳輸線的分布電容流到返回路徑上。只有信號電壓變化的地方，即dV/dt不為零的地方，電流才從信號路徑流到返回路徑上。T I P 任何影響信號電流路徑或返回電流路徑的因素都會影響信號受到的阻抗。無論是對于PCB 板、連接件，還是IC 封裝，返回路徑都必須像信號路徑一樣認(rèn)真設(shè)計(jì)。T I P 任何妨礙返回電流靠近信號電流的因素，例如返回路徑上有一個(gè)間隙，都會增加回路電感，

18、并增加信號受到的瞬時(shí)阻抗，這將引起信號的失真。7.14 返回路徑參考平面的切換4層板的橫截面，其中信號路徑從第1層開始，然后通過過孔到第4層。返回電流將從第2層切換到第3層。T I P 無論返回電流什么時(shí)候在隔直流的平面間切換，它都會在兩平面間實(shí)現(xiàn)耦合，其受到的阻抗等于兩平面構(gòu)成傳輸線的瞬時(shí)阻抗。通過兩平面間的容性耦合，返回電流從第2層切換到第3層平面上。T I P 設(shè)計(jì)返回路徑的目標(biāo)是：設(shè)法減小返回路徑的阻抗以便減小返回路徑上的地彈噪聲。顯然，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，就得盡量減小返回平面間的阻抗，通常的做法是把它們成相鄰放置，而且平面間的介質(zhì)要盡量薄。低阻抗主要的措施有以下幾種： 1. 設(shè)法在信號路

19、徑切換層時(shí)，讓其相鄰參考平面具有相同的電壓。這時(shí)在切換平面間打短路過孔并盡量靠近信號過孔。 2. 具有不同直流電壓的參考平面間的距離應(yīng)盡量薄。 3. 擴(kuò)大相鄰切換過孔的距離，以免在初始瞬間當(dāng)返回路徑的阻抗很高時(shí)，返回電流疊加在一起。有時(shí)認(rèn)為，當(dāng)在兩參考平面間切換返回電流時(shí)，在這兩平面間并接一個(gè)去耦電容器，這樣有助于減小返回路徑的阻抗。在兩平面間連接的分立電容器，希望它能為返回電流從一個(gè)參考平面流到另一個(gè)參考平面提供一條低阻抗路徑。T I P 為了起到有效作用，在上升邊頻率分量的帶寬內(nèi)，實(shí)際電容器必須使得兩平面間的阻抗小于550即2.5。T I P 當(dāng)使用分立電容器減小返回路徑的阻抗時(shí)，使用串聯(lián)

20、電感低的電容器比電容量大于1nF 的電容器更有效。T I P 不同直流(DC)電壓平面間的電容器并不能有效地控制切換平面引起的地彈，然而它可以為較低頻段噪聲提供額外的去耦作用，但是隨著上升邊持續(xù)縮短，它仍然解決不了地彈問題。T I P 在多層板中，當(dāng)信號路徑必須切換不同電平的參考層時(shí)，減小地彈電壓的惟一方法就是使參考平面間的介質(zhì)盡量薄。T I P 為了減小諧振電壓傳播，特別是小型多層封裝中，避免返回電流在不同的參考電壓層切換非常重要。相鄰返回層的直流電壓要設(shè)法相同，而且應(yīng)當(dāng)在信號過孔附近用返回過孔連接返回路徑。這樣就可以避免在平面間注入電流，并避免平面諧振的產(chǎn)生。7.15 傳輸線的一階模型n

21、節(jié)集總電路模型1in長、50傳輸線的測量阻抗(圓圈)與仿真阻抗(線條)。這是個(gè)理想無損耗傳輸線的模型。在測量帶寬內(nèi)，兩者吻合得相當(dāng)好理想傳輸線(圓圈)和單個(gè)LC集總電路模型(曲線)的仿真阻抗。在100 MHz的帶寬內(nèi)，兩者相當(dāng)吻合傳輸線上的電壓波形。當(dāng)傳輸線上有整數(shù)個(gè)半波時(shí)發(fā)生諧振T I P n 節(jié)LC 集總電路是理想傳輸線的近似，而且節(jié)數(shù)越多，近似的帶寬就越高。T I P 這是個(gè)非常重要的經(jīng)驗(yàn)法則，它說明了要使模型的帶寬達(dá)到1/TD，需要10 節(jié)LC 電路。也就是說因?yàn)檫@個(gè)頻率相當(dāng)于傳輸線上僅有一個(gè)全波，為了更好地近似，每1/10 個(gè)信號波長就必須對應(yīng)一節(jié)LC 電路。7.16 特性阻抗的近似計(jì)算 1. 經(jīng)驗(yàn)法則； 2. 解析近似式； 3.二維場求解器。T I P 由經(jīng)驗(yàn)法則，F(xiàn)R4 板上50 微帶線的線寬等于介質(zhì)厚度的兩倍。而50 的帶狀線，其兩平面間總介質(zhì)厚度等于線寬的兩倍。50 傳輸線兩種不同比例的橫截面。左：50 微帶線，w = 2h。右：50 帶狀線，b=2w7.17 用二維場求解器計(jì)算特性阻抗上：返回路徑寬度變化時(shí)，計(jì)算所得微帶線的特性阻抗。其中線寬為10 mil，介質(zhì)厚度為5 mil。下：偏離標(biāo)稱值的程度。圖中場求解器的結(jié)果由Ansoft的2D Extractor得到7.19 特