国防科学技术大学
硕士学位论文
高速高密度PCB关键技术研究
姓名：李刚
申请学位级别：硕士
专业：计算机科学与技术指导教师：曹跃胜
20051101
２．１．２传输线的特性阻抗
卢（Ｗ，圳）万彰（ｚ，ｆ）（２．１）』呻Ｂ
护（ｗ，ｚ，，）万＝他，ｆ）（２．２）导线中心
特性阻抗是指信号沿传输线传播时，信号看到的瞬间阻抗值。它是传输线、介质层与参考层之间电场、磁场相互干扰影响而共同呈现的瞬间阻抗值。
图２．１．２传输线等效电路模型
微带线和带状线是单端类型的传输线结构，信号电流沿着信号导线流出后沿接地导体返回。根据传输线等效模型（如上图），传输线和地平面问存在着等效的并联电容和串联电感。当输入一阶跃响应时，电感的存在起着阻碍电流突变的作用，电容的存在起着阻碍电压突变的作用。当电容的容抗及电感的感抗不相等时会使传输线的阻抗特性呈现电容或电感效应。上图中：Ｌ——均匀分布串接电感Ｌｏ（Ｈ／ｍ）；Ｃ——均匀分布并联电容Ｃｏ（Ｆ／ｍ）；Ｒ——均匀分布串接电阻Ｒｏ（Ｑ／ｍ）；ｅ一均匀分布并联电导Ｇｏ（Ｓ／ｍ）。
传输线的特性阻抗可以表示为一个复数（ｗ为频率）：
：：堕盟：ｆ鱼±丝！
”
ｆ（ｚ，ｆ）～Ｇｏ＋，ｗｃｏ
理想传输线输入阻抗的特性和一个电阻负载完全相同，传输线是无损耗的，特性阻抗可用串联电感和并联电容表示口】。
：．：型：匡
”
ｆ（ｚ，ｆ）～ｃｏ
并联电容参数的影响。在任意情况下，具有不同电势的两个导体之间总是存在一个电场，导体间就会产生电容。介质材料相当于印制板内的一个电容器。根据电容器的定义，电容的大小和表面积、介电常数和介质厚度有关系。最直接的调节电容的方法就是调节介质材料的介电常数和厚度以及导线的线宽。
串联电感参数的影响。只要存在电流的地方，就会产生电感。当电流经过导线时，周围就建立磁场。由于电感与回路面积成正比，导线到地这一回路面积越大，电感值就越大，对电流的阻碍作用也越大。因此调节电感的方法是调节导线的线厚和导线对地高度或两个地平面的间距。
国防科学技术大学研究生院学位论文
地弹噪声等。对于一个理想的电源，其阻抗为零，在电源平面上的任何一点电位都保持为系统供给电压，是恒定的。然而实际的情况并不如此，由于各个方面的影响，电源平面总是存在明显的噪声干扰。
ＰＩ和ＳＩ是紧密相连的，普通ＥＤＡ仿真工具在进行信号完整性分析时，往往假设电源绝对处于稳定状态，但随着系统设计对仿真精度的要求不断提高，电源的波动（如下图）对系统的影响变得越来越敏感，甚至会影响系统的正常工作。
２．２．１振铃（硝ｎｇ缸ｇ）Ｖ，
＾Ｍ柏ｍｆｍ?一
｜
Ｌ——————－－——?———－—?————－＿理想电源实踩电源
图２．２．１实际电源的电压波动
当源端阻抗值小于传输线的特性阻抗时，源端反射系数将是一个负值，信号在传输线上发生源端反射并产生振铃。振铃也是由线上过度的电感和电容引起。
下图给出了当信号上升时间与传输线传输时间相比很短情况下，传输线远端的电压波形。可以使用ＳＰＩｃＥ仿真器进行分析，并根据多次反射和阻抗不连续预测波形。
图２．２．２产生振铃时的信号波形
图中可以清楚的看出实际电压在通过开路的时候超出了源端电压，这些更高的电压是由于传输线上分布的电感和电容发生谐振而产生的。如果传输线电路没有很好的端接，信号振铃将会更加明显。
电路的任何振铃都会提高高频分量的振幅，也会以１０倍的速度提高辐射的大小。‘这也是解决信号完整性问题时通常要先最小化ＥＭＩ问题的原因。振铃的原因是源端和远端阻抗的不连续引起来回的多次反射，只要消除任意一端的反射都可以最小化振铃。
２．２．２串扰（Ｃｍｓｓｔａｌｋ）
当信号在一个网络上传输时，其中的一部分电流和电压会传递到邻近网络上，这种网
律下降。从公式中可以看出趋肤深度与频率的平方根成反比，频率越高，趋肤深度越小，导体视在电阻越大。
趋肤深度取决于导体材料，随着导体材料整体导电率的不同而变化。由于趋肤效应导致视在电阻的增加，会引起导体对传输信号的损耗。为降低此类损耗可以选用导电率好的导体材料。另外，就是增加导体表面面积也是对降低损耗有帮助的。
导体的电阻可以根据下面公式计算出来，
Ｒ＝皿“ｗｆ），ｐ是导体电阻率，Ｌ是导线长度，ｗ是导线宽度，ｔ是导线厚度。
以铜作为传输线的情况下，铜的电阻率在频率小于１００ＧＩ｛ｚ时都接近于一个常数【６ｌ。在频率超过１０ＭＨｚ时，由于趋肤效应，导体中的电流已经不再均匀分布，对导体电阻的计算也会根据这种变化而必须作出调整。假设趋肤深度∥，如下图：
图２．３．１趋肤效应时微带线的电流分布
电阻的计算依赖于电流经过导体的截面积，随着频率的提高，这个面积会因为趋肤效应而减小，从而增大电阻值。因此，在频率高于１０ＭＨｚ的情况下导体的电阻计算应调整为下面公式：
Ｒ＝卢正／（ｗ向’）＝础ｆ“２／（２¨ｐ）１，２（２．４）
２．３．２介质损耗
ＰＣＢ中信号路径和返回路径构成一个电容器结构。高频条件下，在它们之间的介质损耗不容忽视。介质损耗表现为介质对热量的吸收。在交变电场环境下，绝缘材料的介电损耗系数越高，吸收的热量也就越多。当这些材料应用在印制板材料时，就会吸收周围热量，介质损耗也就转换为信号的衰减。介质损耗是频率的函数，当频率很高时，电子产品的设计就必须考虑介质损耗对信号传输的影响。
介质材料有两个重要的电气材料特性。一是相对介电常数，描述偶极子在电场中重新排列，增加电容特性。二是耗散因子，描述偶极子来回翻转导致电流阻抗，与应用电压正弦波同相位。然而这两项都与偶极子的数量有关。与币弦波电压同相位的偶极子运动导致损耗，而电场中与正弦波形电压反相位的偶极子运动导致电容的增加。
介质为空气的理想电容器的电阻是无穷大的，给定一个直流电压，没有电流经过。但是，如果给定一个正弦波电压矿＝Ｋｓｉｎ（ｗ，），就会产生一个余弦波电流通过电容。
Ｊ矿
，＝ｃｏ二｝＝ｃｏｗＫｃｏｓ（ｗｆ）
Ⅱｆ