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高速数字电路设计-传输线模型

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高速数字电路设计是一个很复杂的过程，首先声明我只是一个菜鸟，一个入门学习者的一些
学习感受和笔记，写在这里是为了让自己把知识巩固一下，自己认可一下自己而已。

高速电路主要讲什么呢？主要讲信号完整性，信号需要传输，那么先讲传输线模型。一根导
线是有电阻的，与地之间是有容型负载的，是有感性的，我们统称为阻抗，一个导线有交变
电流流过时就会产生交变磁场，两个有电势差的极板就会产生电场，那么一根信号线与接地
回路之间即存在电场也存在磁场，正是因为有这两个场导致了信号完整性问题，串扰，EMI
辐射干扰，反射。

传输线模型：当我们把一根导线微分到一个很小的片段时，可以看成以下模型：

由这个模型引出了特征阻抗的概念，特
征阻抗定义为：在传输线上的任意一点处电压与电流的比值，咱们来看特征阻抗的表达式：
假设终端的负载为Z0，那么得出的模型为：

我们先假设终端阻抗和传输线的特
征阻抗相等，（暂时不考虑反射，为了简单），那么：我们设，Z(^z) = Rzl + w*Lz ；Y(^z)
= Yr + 1/W*Cz； ^Z= Z0 = ((Z(^z)+ Z0)*(1/Y(^z)) ) / (Z(^z)+ Z0 + 1/Y(^z));最终求的极限值，
当^Z趋近于0时，可得特征阻抗Z = Z0 * Z0 = R + jwL / Gr + jwC;由此可以看出特征阻抗
是与频率有关的函数，由于R 和 Gr都很小，有时候可以大致估计为 L / C；当传输线阻抗
损耗很大时，R的值就不能忽略。关于PCB中一些精确的经验公式可以查阅相关资料可以
得知。

阻抗是影响信号传输的一方面，传播速度和延时是高速电路设计考虑的重点，那么影响信号
传播速度的主要参数有哪些？首当其冲的是传播介质，我们知道光在真空中的传播速度是3
x 100000000 m /s，信号V = c(光速) / 介电常数；那么单位时间传播延时 dt = 1 / v ；上
诉公式是在完全理想的条件下才成立，在PCB板上，微线带和带状线的传播速度稍微有点
区别，这里留个问题：怎么样从传输线模型推出 dt * dt = L*C。最后讲在实际设计仿真中
怎么样设置参数 。

信号初始波和信号反射
其中信号反射问题刚开始很是不理解，信号在传输过程中为什么会产生反射？我们把传输线
看成一条沟渠，信号看成流水，当源头把水放到沟渠时，水就会向前流动，如果从源头一直
到目的地的沟渠一直都很均匀，那么水流也很均匀，如果沟渠有一节很宽，有一节很窄，一
部分水向前流不走，就只有向后流，这样就产生了反射，这里沟渠就好比阻抗匹配，这也是
之前我一直不理解为什么要阻抗匹配，到底干什么的，反射现象发生后会产生什么样的影响
呢？有反射，信号就需要一定的建立时间（因为反射是多次的，当第一个反射信号回来后整
合后再次传输时，会再次发生反射，直到最终稳定），信号有建立时间是建立在信号传播延
时的基础上的，因为建立稳定需要从远处传来反射的信号，理解了上述的概念，我们来定义
反射系数：p = V(reflected) / V(入射电压)。那么有哪些参数影响反射呢？这个可一定要弄清
楚呢，不然在PCB板上建模型时，有些参数你都不知道该怎么样设置。

参数一：信号的上升时间T，
高速信号的频率快，上升时间自然也短了，当上升时间小于两倍的传输线延时时，波形会发
生严重的震荡，想想为什么？刚开始时某一点的电压为0V，在时间 t1 内上升到V1，如果
源头处最高的电压是V = v1，也就是说在第一次反射电压还未到达源头时，源头处的电压
就上升到了稳定的电压值（幅度），那么再加上反射信号，这电压会上冲，这样源头处的电
压在那段时间内会很不稳定。

参数二：容型负载和感性负载
在为电路板的信号线建立模型时，有一个经验的办法就是一英寸内电感是多少，当然这里没
有考虑到互感，我们可以人为的降低信号线之间的互感和互容。

allegro 设置：


上述模型就是allegro软件自动为电路网络提取出来的模型，途中有关于传输线的阻抗设置，
延时设置等，由于本人现在才入门所以讲不出一个所以然出来。其中要设置激励源，然后设
置激励源的频率，周期等等。然后看信号经过传输线后出来的波形，从而可以看反射建立时
间，传播延时，来看布线是否合格。

下一篇：高速电路设计：串扰；友情关注：从无到有的电路板仿真设计。

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HyperLynx 高速数字电路仿真模块

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HyperLynx GHz：LineSim GHz作为HyperLynx GHz的一个组成部分，使用LineSim 进行布局布线前仿真，你可以早早地预测和消除信号完整性问题，从而有效地约束布局、计划叠层，并在电路板布局之前优化时钟、关键信号拓扑和终端负载。

Cadence的PCB仿真

Cadence的PCB仿真

【摘要】随着微电子技术和计算机技术的不断发展，信号完整性分析的应用已经成为解决高速系统设计的唯一有效途径。

借助功能强大的Cadence公司SpecctraQuest 仿真软件，利用IBIS模型，对高速信号线进行布局布线前信号完整性仿真分析是一种简单可行行的分析方法，可以发现信号完整性问题，根据仿真结果在信号完整性相关问题上做出优化的设计，从而缩短设计周期。

本文概要地介绍了信号完整性(SI)的相关问题，基于信号完整性分析的PCB 设计方法，传输线基本理论，详尽的阐述了影响信号完整性的两大重要因素—反射和串扰的相关理论并提出了减小反射和串扰得有效办法。

讨论了基于SpecctraQucst的仿真模型的建立并对仿真结果进行了分析。

研究结果表明在高速电路设计中采用基于信号完整性的仿真设计是可行的, 也是必要的。

【关键字】高速PCB、信号完整性、传输线、反射、串扰、仿真AbstractWith the development of micro-electronics technology and computer technology，application of signal integrity analysis is the only way to solve high-speed system design. By dint of SpecctraQuest which is a powerful simulation software, it’s a simple and doable analytical method to make use of IBIS model to analyze signal integrity on high-speed signal lines before component placement and routing. This method can find out signal integrity problem and make optimization design on interrelated problem of signal integrity. Then the design period is shortened.In this paper，interrelated problem of signal integrity, PCB design based on signal integrity, transmission lines basal principle are introduced summarily．The interrelated problem of reflection and crosstalk which are the two important factors that influence signal integrity is expounded. It gives effective methods to reduce reflection and crosstalk. The establishment of emulational model based on SpecctraQucst is discussed and the result of simulation is analysed. The researchful fruit indicates it’s doable and necessary to adopt emulational design based on signal integrity inhigh-speed electrocircuit design.Key WordsHigh-speed PCB、Signal integrity、Transmission lines、reflect、crosstalk、simulation目录第一章绪论 (5)第二章Candence Allegro PCB简介 (6)2.1 高速PCB的设计方法 (6)2.2 SpecctraQuest Interconnect Designer在高速信号印刷板设计中的应用.72.3 PCB板的SI仿真分析 (8)第三章信号完整性分析概论 (12)3.1 信号完整性（Signal Integrity）概念 (12)3.2 信号完整性的引发因素 (12)3.3 信号完整性的解决方案 (14)第四章传输线原理 (15)4.1 传输线模型 (15)4.2 传输线的特性阻抗 (16)第五章反射的理论分析和仿真 (19)5.1 反射形成机理 (19)5.2 反射引起的振铃效应 (20)5.3 端接电阻匹配方式 (23)5.4 多负载的端接 (28)5.5 反射的影响因素 (29)第六章串扰的理论分析和仿真 (34)6.1 容性耦合电流 (34)6.2 感性耦合电流 (35)6.3 近端串扰 (36)6.4 远端串扰 (38)6.5 串扰的影响因素 (41)第七章结束语 (46)参考文献 (47)致谢 (47)附录：A/D、D/A 采样测试板原理图和PCB板图 (61)第一章绪论随着信息宽带化和高速化的发展，以前的低速PCB已完全不能满足日益增长信息化发展的需要，人们对通信需求的不断提高，要求信号的传输和处理的速度越来越快，相应的高速PCB的应用也越来越广，设计也越来越复杂。

第三章传输线理论

第三章传输线理论

第三章传输线理论本章的目的是概述由集总电路向分布电路表示法过度的物理前提。

在此过程中，推导出一个最有用的公式：一般的射频传输线结构的空间相关阻抗表示公式。

正如我们知道的，频率的提高意味着波长的减小，该结论用于射频电路，就是当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变，必须把它们看做是传输的波。

因为基尔霍夫电压和电流定律都没有考虑到这些空间的变化，我们必须对普通的集总电路分析进行重大的修改。

本章重点介绍传输线理论，首先介绍传输线理论的实质，再介绍常用的几种传输线，其中重点介绍微带传输线，以及一般的传输线方程及阻抗的一般定义公式。

3.1传输线的基本知识传输微波能量和信号的线路称为微波传输线。

本节主要介绍传输线理论的实质以及理论基础3.1.1传输线理论的实质传输线理论是分布参数电路理论，它在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁。

随着工作频率的升高，波长不断减小，当波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流将随着空间位置而变化，使电压和电流呈现波动性，这一点与低频电路完全不同。

传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布，以及传输线上阻抗的变化规律。

在射频阶段，基尔霍夫定律不再成立，因而必须使用传输线理论取代低频电路理论。

现在举例说明：分析一个简单的电路，该电路由内阻为R1的正弦电压源V1通过1.6cm的铜导线与负载电阻R2组成。

电路图如下：图3.1 简单电路并且我们假设导线的方向与z轴方向一致，且它们的电阻可以忽略。

我们假设振荡器的频率是1MHz，由公式(3.1)10m/s, rε=10, rμ=1 因此可以得到波长其中是相速度，=9.49×7λ=94.86m.连接源和负载的1.6cm长的导线，在如此小的尺度内感受的电压空间变化是不明显的。

但是当频率提高到10GHz时情况就明显的不同了，此时波长降低到λ=p v/1010=0.949cm，近似为导线长度的2/3，如果沿着1.6cm的导线测量电压，确定信号的相位参考点所在的位置是十分重要的。

高速PCB电路的布线设计指南

高速PCB电路的布线设计指南

高速PCB设计指南之一第一篇PCB布线在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。

PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。

布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。

必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。

自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。

一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。

并试着重新再布线，以改进总体效果。

对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它，还需广大电子工程设计人员去自已体会，才能得到其中的真谛。

1 电源、地线的处理既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。

所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。

对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因，现只对降低式抑制噪音作以表述：（1）、众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。

（2）、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5 mm 对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)（3）、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。