学习笔记之传输线基础

来源:一博自媒体 时间:2018-12-17 类别:微信自媒体

作者:周伟  一博科技高速先生团队队员

单独一根导线可以传输信号吗?有人可能会有疑问:貌似我们经常碰到当怀疑PCB走线有问题,然后把线刮断再从外面飞根线就没问题了,此时飞线不就是一根吗?怎么就可以传输信号了呢?其实这里忽略了一点,虽然在外面飞了根线,但PCB上面还有其他的平面,这个平面就相当于返回路径,和我们的PCB上单端信号一样,信号管脚之间连接确实只有一根,但如果没有地平面,那么信号是传输不了的,这个地平面就构成了返回路径。所以我们把由任意两条有一定长度的导线组成的线路结构叫做传输线,其中一条是信号路径,另一条是返回路径,两者缺一不可且作用同等重要。

传输线的种类很多,如均匀传输线、非均匀传输线、平衡传输线和非平衡传输线等,不胜枚举,但通常我们接触的都是均匀传输线,也叫可控阻抗传输线,如双绞线、同轴电缆、微带线、带状线和共面线等。前面说了传输线有两条,当两条线一样时,如双绞线,信号路径与返回路径没有严格的区分;如果两条线不相同,如微带线,则通常把较窄的那条称为信号路径,而把平面称为返回路径,如下图一所示。这里需要注意,很多时候我们可以把地叫返回路径,但却不能把返回路径叫地,因为返回路径也有可能是其他信号,所以地不是绝对的概念,但返回路径却是,返回路径的叫法更广泛。

 
图一    传输线示图

在PCB中,最常见的均匀传输线有微带线、带状线和共面线,同时它们也可以叫非平衡传输线(共面线也有归为平衡传输线的情况),因为这些传输线的两条导线宽度不一样,但无论传输线是均匀的还是非均匀的,平衡的还是非平衡的,它们的最终作用都是一样,那就是在可接受的失真度下,保证信号的正确传输。

说到微带线和带状线,大家的第一反应大概是在表层的叫微带线,在内层的叫带状线,是不是这样呢?
 
其实这个只是表面的理解,也就是表面现象,那它们的本质区别是什么呢?相信很多参加过我们研讨会的童鞋都知道,那就是看它们有几个参考层,这个才是正解,因为有些走线如嵌入式微带线虽然是在内层,但它却不是带状线。
 
好吧,看看下面的微带线和带状线示图。
 
   
它们都是均匀的或可控阻抗传输线,这个阻抗与线宽、线的厚度、线到参考的高度以及线路周围介质的介电常数有关。经常有人这样问:你们的阻抗是在多高频率下测试的?这个问题真是难住我了!我竟一时无言以对!这个问题和类似的“信号到了较高频以后,阻抗会影响很大”其实差不多,不是不太懂就是操心太多。其实前面已经讲了阻抗和哪些因素相关,这些因素中唯一和频率相关的就是介质的介电常数。我们现在多数PCB用的是FR4介质,该类型的介质介电常数一般随频率的升高而变小,但一般这个变化范围不会太大,在40GHz内不会超过0.5(好的材料会在0.2以内),如果超过了则代表这种材料稳定性很差,一般人也不会选择,尤其是到了很高速的情况下,大家也都不是傻子。既然介电常数变化不大,那么这个阻抗也就在一定的频率范围内偏差不大了(除非材料本身出了问题),所以还是多操心在其他的方面,比如制板及工艺控制等的偏差吧。

与介电常数相关的,除了传输线的阻抗,其实另一个问题大家也会经常混淆,那就是传输线的时延。经常会有人问:我的这个信号速率(频率)升高了,那么它就跑得更快了,对应的时延就更小了,是这样吗?呵呵,我又无言以对了!
 
这里把信号的速率(频率)和信号的传输速度混淆了,信号的速率(频率)是信号本身的特征,代表输出信号的信号源内部电路的翻转频率,就像不同的车子有不同的车速一样,这个取决于车子本身的发动机性能;而信号的传输速度则接近光速在介质中的传播速度,因为信号的传播方式是以电磁场的形式传播,这个传播速度与信号本身的速率无关,只与PCB的介质材料相关,最直接的影响就是相对介电常数,信号的传输速度可以大致由下列公式得到:


其中,ε0是自由空间的介电常数(), εr是材料的相对介电常数,μ0是自由空间的导磁率(), μr是材料的相对导磁率,通常为1。

所以上面公式可以近似为,相当于光速除以材料的相对介电常数的平方根,而时延Td=线长Len/v,那么这个时延和材料的相对介电常数就正相关了。不同材料的时延不一样,一般高速板材(低损耗板材)的相对介电常数较低,时延会相对小。时延到底和频率有没有关系呢?就像上面阻抗和频率的关系一样,取决于介电常数的偏差,通常这个偏差不会太大,所以一般也不用太过焦虑。不过有一点不容忽视,就是介电常数还会受高低温及湿度的影响,当材料本身的性能不稳定,这个偏差就会稍微大一点,此时一旦系统的设计裕量不足,那么就会出现一些产品在高低温的情况下出现问题,这个时候又回到了裕量上面,靠谱的设计才是保证裕量的基本条件。

小结一下,关于传输线,需要知道的是信号路径和返回路径是传输线的基本构成,两者作用均等缺一不可,同时阻抗和时延是传输线的两个非常重要的特征,后面涉及到的反射、串扰及时序等都和它们关系密切。


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