本文主要是介绍传输线物理基础(五)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
均匀传输线
导线上任一处的横截面都相同，则称这种传输线为均匀传输线。例如：双绞线，微带线，带状线，共面线。
在信号完整性的设计的一个目标：将所有互连都设计成均匀传输线，并尽量减小所有非均匀传输线的长度。
信号的传播速度
信号在传输线导体周围空间形成交变电场和磁场的建立速度和传播速度，决定了信号的传播速度。信号在传输速度，可以由以下公式算得：
其中，光速为12in/ns。
所以，信号的传播延迟与互连线长关系如下：
$对PCB进行信号传延迟计算时可以使用
信号前沿的空间延伸
每个信号都有一个上升沿，当信号在传输线上转播时，前沿就在传输线上拓展开来，如下图。
传输线在上升边内Len取决于信号的传播速度和上升边，即：
特征阻抗
对于均匀传输线，其每一处的阻抗的瞬时阻抗都是相同的，其为传输线的固有属性，且仅与材料特性，介电常数及结构有关，而与传输线长度无法。称其为特征阻抗。
常见的特性阻抗
自由空间的特性阻抗大约为，当天线的阻抗与自由空间的持性阻抗匹配时，天线的辐射量才为最优。
传输线阻抗的概念
传输线的瞬时阻抗 ：信号沿传输线传播时所感受到的阻抗。
传输线的特征阻抗 ：信与沿均匀传输线传播时受到的瞬时阻抗，其只适用于描述均匀传输线。
传输线的输入阻抗 : 由驱动器测量信号进入传输线而测得到的阻抗。
传输的驱动计算
高速驱动器驱动传输线时，传输线的输入阻抗在往返时间内表现为电阻性，其大小等于传输线的特性阻抗。等效电路模型如下，并驱动源简化为了一个开关电压源和一个源内电阻：
由以下也可以得出，为了使初始加到传输线上的电压更接近于源电压，驱动器的输出源电阻就必须很小。它的重要性仅次于传输线的特性阻抗。
由于大多数互连表现为传输线，驱动互连的电流产生器，高速CMOS器件都必须设计成低输出阻抗门，若输出器件的输出阻抗特别低，如10以下，通常称之为线驱动器。
返回路径
电流总是在回路中流动的，在流出的电流一定会返回到源端。电流流回源端的路径，称之为返回路径。
以下为传输线的一阶模型，与我们一般认识不同，在信号向前传播时，电流并不是需要传到远端的某一处，再返回到源端。
当信号沿传输线前进时，电流会对当前的电容进行充电，并沿对应的返回路径流回源端。在PCB上当信号使用电源平面做为回流路径时，有认为信号是通过去耦电容进行回流的，但其实电流的大部分是通过信号与参考平面的耦合进行回流。
返回路径上任何妨碍返回电流靠近信号电流的因素，都会增加其回路电感，并增加信号感受到的瞬态阻抗。对于PCB上的带状线与微带线，返回路径中的电流分布挤近信号路径下面，无论信号路径是弯曲的还是拐直弯的，平面上的返回电流都会跟随它。并且信号频率越高，电流分布会越挤进。
返回路径的切换
对常用的三种结构的回流路径进行分析：
- 信号与参考平面之间有一层不被驱动平面
在2平面上产生感应电流，从输入端的靠近边沿的位置相连。其电流回流的情况如下图
输入阻抗的计算式为：
由于一般由两个平面组成，其阻抗越小信号受到的阻抗就越接近。所以可以看到驱动器受到的阻抗主要由与它最近平面构成的传输线的阻抗决定。
四层板参考平面切换
一个四层板结构，走线从第1层通过过孔换到第4层
如果第2层与第3层为相同的电位层，则有过孔将他们相连接，返回电流则会通过这些过孔进行回流。所以一般在PCB上会在信号过孔的旁边增加一个返回过孔。
若第2层与第3层为不同的电位（例如一个为地平面这个为电源平面），没有相连的过孔。反回电流会通过两个平面间的电容进行回流，如下图所示：
返回路径流过两个平面构成的阻抗，会产生压降，这样就构成了地弹。为了减小地弹，需要两个不同平面尽可能的靠近，介质尽可能的薄。
所以当在遇到信号切换参考平面的情况，有以下几种措施减小地弹：
- 在信号路径切换层时，设法让其相邻参考平面具有相同的电压。并在切换平面之间打短路过孔并尽量靠近信号过孔。
- 具有不同直流电压的返回平面之间的距离应尽量薄，这是减小不同电平平面切换时的唯一方法。
- 扩大相邻切换过孔的距离，以避免在初始瞬间当返回路径的阻抗很高时，返回电流叠加在一起。
对于信号线在不同电平平面进行切换的情况，有时认为可以在两个平面之间并联一个电容将有助于减小返回路径的阻抗。但是由于电容的等效电感存在，其并不能有效的控制地弹。
传输线的一阶模型
理想传输线的两个重要特性：恒定的瞬时阻抗、相应的时延。
下面是传输线的一阶近似模型，C代表的是两条导线之间的电容，L表示每两小节之间的回路电感。
对上面网络进行计算，可以得到传线的特性阻抗与时延：
从传输线的时延和特性阻抗可以得到传输线总电容及总电感的计算公式：
从上面可以得到一个经验法则：
- 所有介电常数为4的传输线，其单位长度电容都相同，约为3.3pF/in
- 所有介电常数为4的传输线，其单位长度电感都相同，约为3.9pH/mil
两种PCB常见结构的阻抗计算
IPC推荐微带线近似计算公式：
IPC推荐带状线近似计算公式：
以上面可以得到一个经验法则：
FR4板上的微带线的线宽约等于介质厚度的2倍， 。而带状线的两平面之间的总介质厚度等于线宽的2倍，。介质厚度与线宽的比例不变时，特性阻抗就保持不变。
需要特别注意，以上只是传输线的简化一阶模，当使用场求解器计算时，可以看到对特性阻抗影响的因素还有如下几点：
- 返回路径的宽度；
- 信号线条的导线厚度；
- 表面线上阻焊层的存在；
- 有效介电常数。
要使特性阻抗与返回路径为无穷宽时的值相差不到1%，返回路径在信号路径每边的延伸宽度应到少为介质厚度的3倍。
信号路径的厚度每增加1mil，特性抗阻约下降 。
特性阻抗随频率的变化
传输线的特性阻抗与其电感及电容有关。由于趋肤效应的影响，单位长度电感会随频率而变化。电流分布在导体表面，使得回路电感下降。所以特性阻抗会随频率的上升而下降。
当约50MHz以上时，传输线的特性阻抗是个常数，不再随频率变化。
这篇关于传输线物理基础(五)的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
