高速PCB基本理论3

1SignalIntegrity、EMC&HighSpeedPCBDesignPart3高速PCB设计基本理论A-PDFPPTTOPDFDEMO:Purchasefrom课程内容
第三部分高速PCB设计基本理论传输线理论基本电路元器件与寄生元素差模干扰与共模干扰信号回路像平面3PCB传输线
线条拓扑结构微带线带状线
传输线效应与阻抗
有损传输线、上升边退化和材料特性
其它常用传输线铜轴电缆双绞线4传输线的线条拓扑结构
传输线是由两条有一定长度的导线组成的传输线用于将信号从一端传输到另一端，把一条称为信号路径，另一条称为返回路径。重要特征：特性阻抗时延5传输线的线条拓扑结构
均匀传输线均匀传输线也称为可控阻抗传输线，其反射小，信号质量高，故高速互连线都必须设计成均匀传输线几何结构的两个基本特征，即导线沿线横截面的均匀程度和两导线的相似程度完全决定了传输线的电气特性。平衡传输线：双绞线、共面线非平衡传输线：铜轴线、微带线绝大多数传输线，不管是平衡还是非平衡，对信号的质量和串扰效应都没有影响。但返回路径的具体结构将严重影响地弹和EMI6传输线的阻抗
传输线的阻抗由驱动器测量进入传输线前端的信号而得到的，它随时间而变化。对于相同的传输线，根据末端的连接情况、传输线的长度和测量方法的不同，可以是短路、开路及其间的任意值。如果测量时间小于往返时间，欧姆表测到的阻抗就是传输线的特性阻抗。当上升时间比传输线的往返时间短时，驱动器就把传输线看成电阻，其阻值等于传输线的特性阻抗。信号跳变期间，传输线前端的性能也会像一个电阻7传输线的阻抗
传输线的驱动对所有的高速驱动器来说，当驱动一条传输线时，在往返时间内，它们受到的输入阻抗等效为一个纯电阻，其大小等于传输线的特性阻抗驱动器可以模型化为一个高速切换的电源和一个源电阻电压源的具体电压与晶体管的拓扑结构有关，对cmos器件，电压可在1.5v---5v之间变化源电阻的大小取决于器件工艺，通常在5---60Ω根据戴维南定理，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。8传输线的物理基础
传输线上的信号速度空气中的速度：v=12in/ns电路板上的速度：v=6in/ns
传输线的时延：TD=Len/v
传输线的瞬态阻抗把信号传输过程中每时刻受到的阻抗称为瞬态阻抗，它取决于信号的速度（材料特性）和单位长度的电容。均匀传输线中信号受到的瞬态阻抗是恒定的，称为传输线的特性阻抗信号与传输线相互作用的重要特征就是当信号遇到瞬态阻抗变化时，一部分信号被反射，一部分更失真，信号完整性受到破坏。9传输线的物理基础
FR4上的微带线，若线宽是介质厚度的2倍，则特性阻抗约为50Ω导线间的介质厚度增加，单位长度电容会减小，则相应的特性阻抗会增加；若导线的线宽增加，单位长度电容会增加，则相应的特性阻抗会下降。著名的特性阻抗：自由空间：377Ω10CharacteristicImpedance
MicrostripLine(微带线)ZO=ln
StripLine(带状线)BhWThWT87er+1.4145.98h0.8W+T60erZO=ln1.9B0.8W+T有效相对介电常数走线宽度走线厚度走线与参考平面的距离11传输线的特性阻抗
特性阻抗的近似计算设计一个特定的特性阻抗，实际上就是不断调整线宽、介质厚度和介电常数的过程不同类型的横截面，它的几何特征和特性阻抗的关系式也不同FR4板上50Ω微带线的线宽等于介质厚度的两倍。FR4板上50Ω带状线其两平面间的总介质厚度等于线宽的两倍12传输线的特性阻抗
特性阻抗的近似计算铜轴型平行的双园杆型园杆平面型13传输线效应
返回路径所有的电流，都必须构成回路，无一例外电流总是在回路中流动。如果一些电流流向别处，那么它一定会返回到源端传输线的零阶模型任何影响信号电流路径或返回电流路径的因素都会影响信号受到的阻抗，无论是PCB板、插头、还是IC封装，返回路径都必须向信号路径一样设计14传输线效应
返回路径在多层板的平面型互连中，返回路径通常设计成平面当返回路径是一个平面时由于趋肤效应，信号电流只分布在导体的表面返回路径中的电流分布集中在信号路径的下面，而且，正弦波频率越高，电流分布越集中。当频率增加时，返回路径上的电流选择阻抗最低的路径。这转化到回路电感最低的路径，即返回电流必将尽量靠近信号电流。频率越高，这种趋势越明显。任何妨碍返回电流靠近信号电流的因素，例如返回路径上有一道裂缝，都会增加回路电感，并增加信号受到的瞬态阻抗，这将引起信号失真。电缆专门设计成返回路径靠近信号路径：铜轴线、双绞线15传输线效应
返回路径中参考平面的切换对于多层板中的传输线，驱动器受到的阻抗主要由信号路径和与之最近的平面构成的阻抗决定，而与实际连接在驱动器返回端的平面无关。相对于信号路径与相邻平面间的阻抗，两平面间的阻抗越小，驱动器受到的阻抗就越接近于信号路径与悬空平面间的阻抗减少相邻平面间阻抗的最重要的方法是尽量减小平面间介质的厚度，该方法同时使两平面紧密耦合。则轨道塌陷就很低，驱动器实际连接的是哪一个平面都无关紧要了16传输线效应
设计返回路径的目标设法减小返回路径的阻抗以便减小返回路径上的地弹噪声解决方法：尽量减小参考平面间的阻抗把参考平面设计成两个相邻的平面平面间的介质要尽量薄当信号路径切换层时，总要有一个具有相同参考电压的相邻平面，并且在切换平面间的短路过孔应尽量靠近信号过孔17传输线效应
传输线的一阶模型零阶模型是物理模型，不是等效电气模型一阶集总电路模型是理想传输线的近似。在极端情况下，若电容和电感逐渐减小，则分成的节数越多，近似程度就越好。所有介电常数为4的50Ω传输线，其单位长度电容都相同----约为3.3pf/in；其单位长度电感都相同---约为8.3nh/in18传输线效应
其它重要的经验法则：要使特性阻抗与返回路径为无限宽时的值相差不到1%,返回路径在信号路径每边的延伸宽度应至少为介质厚度的3倍信号路径厚度每增加1mil，特性阻抗约下降2Ω要使一阶模型的带宽达到1/TD，需要10节LC电路。也就是说，因为这个频率相当于传输线路上仅有一个全波，为了更好地近似，每1/10个信号波长就必须对应一节LC电路当给定上升时间RT（ns）时，n节LC集总电路电路模型要达到足够高的带宽，每节LC电路对应的线长（in）必须小于1.7*RT(in)大约50MHz以上，特性阻抗就不随频率变化了。19有损线、上升边退化和材料特性
引言由传输线引起的上升边退化将会引起符号间干扰。高于1GHz、传输长度超过10in的信号，传输线损耗是首要的信号完整性问题。上升边变长是由于信号的高频分量衰减要比低频分量衰减大得多。20有损线、上升边退化和材料特性
有损线的不良影响如果损耗与频率无关,整个信号将在幅度上一致地降低，而上升边保持不变。实际与频率有关,高频分量的幅度减小而低频分量的幅度保持不变。将引起上升边增长。上升边退化与位周期相比很小,就不存在符号间干扰(ISI)。上升边退化很长,将引起符号间干扰。信号质量度量手段-眼图。21有损线、上升边退化和材料特性
传输线中的损耗接收端有五种方式的能量损耗：辐射损耗耦合到邻近的线条上(串扰)阻抗不匹配导线损耗:串联电阻引起介质损耗:损耗因子引起22有损线、上升边退化和材料特性
损耗源:导线电阻和趋肤效应直流电阻计算式:趋肤深度:考虑趋肤效应的导线电阻:微带线电阻:
损耗源:介质介质损耗产生的原因:漏电阻漏电阻与频率有关，频率越高，漏电阻下降，消耗的功率升高23有损线、上升边退化和材料特性
有损传输线建模建模原理:在无损模型中增加了两个损耗过程:随频率平方根增加的串联电阻和随频率降低的并联电阻.四个线参数:串联电阻,长度电容,串联回路电感,并联电导三个特征:①特性阻抗与频率有关②正弦波信号的速度与频率有关③衰减与频率有关24有损线、上升边退化和材料特性
有损传输线的特性阻抗（低损耗区）对FR4中3mil宽、50Ω微带线,频率大于10MHz时,与无损特性阻抗非常接近.特性阻抗计算公式
有损传输线中的信号速度（低损耗区）在低损耗区,与无损线速度一样.信号速度计算公式
有损耗线上的衰减（低损耗区）衰减组成:导线损耗引起的衰减和介质材料损耗引起的衰减单位长度衰减近似公式25有损线、上升边退化和材料特性
频域中有损线特性的度量有损线的理想模型的三个特点当频率变化时特性阻抗是个常数当频率变化时速度是个常数衰减中有一项与频率的平方根成正比,另一项与频率成正比.26关于同轴线
同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽层，因屏蔽层接地，因而两根导体对地不对称，为不对称式或不平衡式传输线。
同轴的工作频率最多几百兆。通常，同轴的外皮作为信号回路时，传递的是信号，此时外皮不接地。当外皮作为屏蔽时必须接地。27关于同轴线
问题：同轴线屏蔽层走信号的回流时，为什么还能屏蔽？对于同轴电缆，由于分布参数的关系（分布电感、分布电容）信号的回流层走的是屏蔽层的内部，而干扰信号由于趋肤效应，走得是屏蔽层的外部，所以可以起屏蔽作用。注意：只有在高频应用时才可以这样，且外层必须和地相接。低频时不能这样用，可以采用三同轴电缆。同轴屏蔽层的一般接法：低频时，电感的作用起主导，故为破坏回路应以单端接地为主。此时没有趋肤效应，干扰信号会流到内（部）层影响信号回路。高频时，电容的作用起主导，故应双端接地。宽带时，应有两层（或多层）屏蔽，一般是一层包，一层编。一个对高频起作用（包），一个对低频起作用（编）。28关于双绞线
双绞线不同类别及应用特点在双绞线中，非屏蔽双绞(UTP)的使用率最高，故在应用中所指的双绞线一般是指TUP3类双绞线指目前在ANSI和EIA／TIA568标准中指定的双绞线电缆。该双绞线的传输频率为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10BASE-T。目前3类双绞线正逐渐从市场上消失，取而代之的是5类和超5类双绞线。4类双绞线该类双绞线电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T／100BASE-T。4类双绞线在以太网布线中应用很少，以往多用于令牌网的布线，目前市面上基本看不到。5类双绞线该类双绞线电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络，这是最常用的以太网电缆。5类双绞线是目前网络布线的主流。超5类双绞线与5类双绞线相比，超5类双绞线的衰减和串扰更小，可提供更坚实的网络基础，满足大多数应用的需求(尤其支持千兆位以太网1000Base-T的布线)，给网络的安装和测试带来了便利，成为目前网络应用中较好的解决方案。原标准规定的超5类线的传输特性与普通5类线的相同，只是超5类双绞线的全部4对线都能实现全双工通信。不过，这一段时间里超5类双绞线已超出了原有的标准，市面上相继出现了带宽为125MHz和200MHz的超5类双绞线(如美国通贝公司的超5类双绞等)，其特性较原标准也有了提高，据有关材料介绍，这些超5类双绞的传输距离已超过了100m的界限，可达到130m甚至更长。超5类双绞线的主要用武之地是千兆位以太网环境。6类双绞线电信工业协会(TIA)和国际标准化组织(1SO)已经着手制定6类布线标准。该标准将规定未来布线应达到200MHz的带宽，可以传输语音、数据和视频，足以应付未来高速和多媒体网络的需要。6类布线标准已发布，但市面上的相关产品却较少。所以，6类布线在今天和未来的3～5年中，还不能成为局域网布线的主流选择。7类双绞线国际标准化组织在1997年9月曾宣布要制定7类双绞线标准，建议带宽为600MHz。但到目前为止，有关7类双绞的标准还没有正式提出来。29建立传输线等效模型的例子
有一段长度为5in的无损耗传输线，其横截面示意图如图所示。其中，W=5mil，T=0.7mi