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信號完整性(六):多長的走線才是傳輸線

時間2014/09/12
人物Lee
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多長的走線才是傳輸線?


這和信號的傳播速度有關,在FR4板材上銅線條中信號速度為6in/ns。簡單的說,只要信號在走線上的往返時間大于信號的上升時間,PCB上的走線就應當做傳輸線來處理。


我們看信號在一段長走線上傳播時會發生什么情況。假設有一段60英寸長的PCB走線,如圖1所示,返回路徑是PCB板內層靠近信號線的地平面,信號線和地平面間在遠端開路。

 圖1


信號在這條走線上向前傳播,傳輸到走線盡頭需要10ns,返回到源端又需要10ns,則總的往返時間是20ns。如果把上面的信號往返路徑看成普通的電流回路的話,返回路徑上應該沒有電流,因為在遠端是開路的。但實際情況卻不是這樣,返回路徑在信號上后最初的一段時間有電流。

在這段走線上加一個上升時間為1ns的信號,在最初的1ns時間,信號還線條上只走了6英寸,不知道遠端是開路還是短路,那么信號感覺到的阻抗有多大,怎么確定?如果把信號往返路徑看成普通的電流回路的話就會產生矛盾,所以,必須按傳輸線處理。

實際上,在信號線條和返回地平面間存在寄生電容,如圖2所示。當信號向前傳播過程中,A點處電壓不斷不變化,對于寄生電容來說,變化的電壓意味著產生電流,方向如圖中虛線所示。因此信號感受到的阻抗就是電容呈現出來的阻抗,寄生電容構成了電流回流的路徑。信號在向前傳播所經過的每一點都會感受到一個阻抗,這個阻抗是變化的電壓施加到寄生電容上產生的,通常叫做傳輸線的瞬態阻抗。

圖2


當信號到達遠端,遠端的電壓升至信號的最終電壓后,電壓不再變化。雖然寄生電容還是存在,但是沒有電壓的變化,電容相當于開路,這對應的就是直流情況。

因此,這個信號路徑短期的表現和長期的表現不一樣,在起始一小段時間內,表現就是傳輸線。即使傳輸線遠端開路,在信號跳變期間,傳輸線前段的性能也會像一個阻值有限的電阻。   


(作者:于爭博士)



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更多內容:

信號完整性(一):PCB走線中途容性負載反射

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