传输线理论

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01-11
常见传输线类型：差分传输线
差分（通常称为平衡式）传输线适用于对噪声隔离和改善时钟频 率要求较高的情况。在差分模式中，传输线路是成对布放的，两条线 路上传输的信号电压、电流值相等，但相位（极性）相反。由于信号 在一对迹线中进行传输，在其中一条迹线上出现的任何电子噪声与另 一条迹线上出现的电子噪声完全相同（并非反向），两条线路之间生 成的场将相互抵消，因此与单端非平衡式传输线相比，只产生极小的 地线回路噪声，并且减少了外部噪声的问题。
R0
TD
Z0
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01-30
振铃原因
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01-31
振铃原因
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01-32
阻抗匹配
如果线足够短，则在时刻 TD，信号仍将继续上升，反 射波成为上升沿的一部分。对于较长的线，信号的上升过 程在时刻TD之前就已结束，反射波作为过冲和反冲出现。 这种情况下，信号的噪声余量变小，甚至会导致系统不能 正常工作。这时，就需考虑阻抗匹配。
H E
x y
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y
E
z
01-3
传输线模型


信号的传播类似于波的传播，，应该按照传输线理论来分析。 传输线模型中实际存在四要素：一个串联电阻、一个串联电感、 一个并联电容——C=Q/V、一个并联电导——导体间的介质损 耗。 一个传输线的微分线段l的等效电路描述如图所示。
L, C, R, G per unit length
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01-23
信号传输过程
当RL =Z0时，ρL=0
Vs
is
V
Z0 Z 0 + Rs
V Z 0 + Rs
0
VL
τ
t
Z0 Z 0 + Rs
iL
0
τ
t
V Z 0 + Rs
V
0
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τ
t
0
τ
t
01-24
信号传输过程
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01-25
信号传输过程
Vs
V 2
3V 4
is
V 2Z 0
t
3V 4Z 0
高速电路信号完整性 分析与设计--传输线理论
传输线模型
Reality Model
Driver (Source) Trace Model Receiver (T-Line) (Load)
(V ) = [Z ]⋅ (I )
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01-2
传输线模型

当信号的边沿很陡的时候，信号本身所包含的有效频率远远高 出信号工作频率，对于1ns的上升信号沿，所包含的有效频率 带宽达到400M左右，而这样的信号在PCB走线传输时，信号 的传播类似于场的形式传播，而不是电压与电流!
t
01-28
信号传输过程
实际中，RS 〉Z0，始端反射同样可计算。如果要消除始 端反射，那么在线的始端串一电阻RS’，使RS+ RS’= Z0 ，则ρs=0 ，ρL=1
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01-29
振铃原因
在时刻t＝0，从A点发出一个完整的信号；经过时间TD后 ，信号到达B点，发生反射。因为接收端的输入阻抗相对Z0 是 很高的，所以有大的正反射和信号过冲发生。在时刻2TD，反 射波回到A点，并发生反射。因为R0值很低，反射是负向的， 这就使得在时刻3TD，在B点出现一个与初始信号方向相反的信 号。这个信号和随即发生的、它的反射综合产生一个反冲，此 时信号的抗扰度要减去这个反冲量。随着反射次数的增加，这 些反射逐渐减小，导致出现称之为“振铃”的状态。 A B
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01-8
特征阻抗
特征阻抗是是传输线分布电容与电感的等效，它的物理 意义为入射波电压与电流的比值或反射波电压与电流的比 值。 当频率足够高时（f≥100KHZ），对模型进行简化与推 导，得出特性阻抗的计算公式。
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01-9
常见传输线类型：单端传输线
单端传输线是连接两个设备的最为常见的方法。一条导线连接了一个 设备的源和另一个设备的负载， 参考（接地）层提供了信号回路。信号跃 变时，电流回路中的电流也是变化的，它将产生地线回路的电压降，构成 地线回路噪声，这也成为系统中其他单端传输线接收器的噪声源，从而降 低系统噪声容限。
传输线模型
传输线按模型的结构可分为： ・理想传输线（Ideal Transmission Line） ・有损耗传输线（Lossy Transmission Line）
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01-6
传输线模型
理想传输线（Ideal Transmission Line）
图8
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01-7
传输线模型
有损耗传输线（Lossy Transmission Line）： 频率足够高时（f≥100KHZ），ω=2πf，其值 很大，ωl、ωc很大，R、G可忽略，
0 τ
2τ 3τ
0 τ
2τ 3τ
t
Vl
3V 4
0 τ 2τ 3τ
t
iL
3V 4Z 0
0 τ 2τ 3τ
t
01-26
课程简介
信号传输过程
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01-27
信号传输过程
Vs
is
V 2Z
V 2Z
0
0
V 4Z
0
V 4Z
0
0
τ
2τ
3τ
t
0
τ
2τ
3τ
t
VL
iL
V 4
V 4Z
0
0
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τ
2τ
3τ
t
0
τ
2τ
3τ
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01-20
信号传输过程
反射系数的计算：
ρ=
Vreflected Vincident
Zt − Z0 = Zt + Z0
Z0-线阻抗 Zt-不连续的阻抗 等式假设信号在特征阻抗为Z0的传输线上传送遇到了不连 续的阻抗Zt。注意如果Z0=Zt，反射系数为0，意味着没有 反射。Z0=Zt这种情况就称为匹配的端接。
信号传输过程
如果传输线的末端端接一个阻抗，而且这个阻抗与线的阻 抗精确的匹配，那么幅度为 Vi 的信号将被端接到地，电压 Vi 将仍保持在线上直到信号源转换。在这种情况下Vi是 dc 稳态值。否则，如果传输线的末端的阻抗不是线的特征阻 抗，信号的一部分端接到地，信号的其余部分将被反射到 传输线回到源。反射回的信号的量通过反射系数决定，反 射系数由确定的点（junction）的反射电压和输入电压的比 决定。这个点定义为传输线上阻抗不连续。阻抗不连续可 以是不同特征阻抗的传输线的一部分，也可以是端接电阻 或者是到芯片缓冲器上的输入阻抗。
对FR-4板（εr≅4.5），信号传输速度约为12cm/ns。 同样，传输延迟与线宽或间距无关。
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01-17
常见传输线
仅从PCB设计角度来看，只能碰到两种传输线：带状线 （stripline）和微带线（microstrip）。带状线是指信 号线夹在两个平面层之间，理论上它能最好的传输信号。 微带线在外层。 从信号质量的保证来讲：带状线优于微带线; 从EMI/EMC角度讲：带状线优于微带线; 需要注意的两点：时延和阻抗; 思考题：对信号质量要求高的信号我们应该首选走在 带状线上还是微带线上？
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01-10
常见传输线类型：单端传输线
单端传输线特性阻抗与传输线尺寸、介质层厚度、介电常数的关 系如下： 与迹线到参考平面的距离（介质层厚度）成正比 与迹线的线宽成反比 与迹线的高度成反比 与介电常数的平方根成反比 单端传输线特性阻抗的范围通常情况下为 25Ω至120Ω，几个较 常用的值是28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω。
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01-33
案 例
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01-34
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01-21
信号传输过程
当一个信号在传输线末端的阻抗不连续端被反射，信号的 一部分将会反射回源。当反射信号到达源时，如果源阻抗 不等于传输线阻抗另一个反射也将产生。因此，如果传输 线的两端都不连续的话，信号将会在驱动和接收之间来回 反射，在dc 情况信号反射最终会达到稳态。 不管怎样，如果线端接一个电阻Rt，稳态电压按照下面的 公式计算
Rt Vs Rt + Rs
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01-22
信号传输过程
当一个信号在传输线末端的阻抗不连续端被反射，信号的 一部分将会反射回源。当反射信号到达源时，如果源阻抗 不等于传输线阻抗另一个反射也将产生。因此，如果传输 线的两端都不连续的话，信号将会在驱动和接收之间来回 反射，在dc 情况信号反射最终会达到稳态。
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01-18
信号传输过程
当驱动器加信号到传输线上，信号的幅度依赖于电压、缓冲 器的源电阻和传输线的阻抗。驱动器上的初始电压通过源电 阻和线阻抗的分压来控制。初始的电压Vi传送到传输线上直到 到达末端。Vi的幅度通过源和线阻抗的分压来决定：
Z0 Vi = Vs Z0 + Zs
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01-19
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01-13
常见传输线类型：微带线
它由一根带状导线与地平面构成，中间是电介质。如果电介质的介 电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的，则它的特性阻抗也是 可控的，其精确度将在±5％之内。
w
t 地
电解质
h
（a） 微带线
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01-14
常见传输线类型：微带线
微带线的特性阻抗Z0为：
Z0 = 5.98h ln ε r + 1.41 0.8w + t 87
H
y x
E
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01-4
传输线模型