淺談PCB傳輸線(一)

前言:淺談傳輸線的類型,以及傳輸線的一些行為特性。
1.傳輸線的種類
2.互連線被視為傳輸線的場景
3.傳輸線的行為特性
***

1.傳輸線的種類
PCB 中的信號傳輸線通常有兩種基本類型: 微帶線帶狀線。此外,還有第三種類型–共面線(沒有參考平面),但這種線應用并不廣泛。

微帶傳輸線: 它由位于電路板外層的單條均勻走線組成,并與導電接地平面平行。該接地平面提供信號的返回路徑。走線和接地平面之間由一定高度的 PCB 電介質隔開。

如下圖所示。
在這里插入圖片描述

帶狀線傳輸線: 它由位于電路板內層的均勻走線組成。走線兩側分別由平行的介電層和導電平面隔開。因此,它有兩條電流返回路徑
參考平面1和參考平面 2
在這里插入圖片描述

除了上述傳統類型外,共面波導結構在電路板的同一層上具有信號走線和返回路徑。信號走線位于中心,被兩個相鄰的外部接地平面包圍。

這種結構被稱為"共面”,因為這三個平面結構位于同一平面上。電介質位于其下方。微帶線和帶狀線都可以具有共面結構。
下圖是一個帶有接地平面的共面微帶波導:
在這里插入圖片描述
2.互連線被視為傳輸線的場景
什么時候互連被視為傳輸線?
用于在源和目的地之間傳輸信號的一組電導體稱為傳輸線。信號從源到目的地所需的時間與信號中高頻分量波長四分之一的時間周期相比,不容忽視。

傳輸線的兩個非常重要的特性是其特性阻抗和單位長度的傳播延遲。
如果整個傳輸線的阻抗沒有得到控制,就會出現信號反射、串擾和電貓噪聲。如果線路的端接陽抗值不正確,也會出現這種情況。這會影響電路板的信號完整性。

假設信號頻率(模擬)或數據傳輸速率(數字)低于 50 MHz或20 Mbps。
此時,與四分之一波長的時間周期或數字脈沖信號的最快上升時間相比,信號從源傳輸到目的地所需的時間非常短(<10%)。在這種情況下,可以假設目的地的信號與源信號同時跟隨,從而估算互連。在這種低速情況下,可以使用傳統的網絡分析技術來分析PCB信號。可以忽路任何信號傳播時間或傳紛線反射等因
然而,當處理更高頻率或更高數據傳輸速率的信號時,信號源和目的地之間的傳播時間不容忽視。因此,無法使用普通的網絡分析技術來分析此類高速信號的行為。需要將互連視為傳輸線,并進行相應的分析。

3.傳輸線的行為特性
在高頻下,傳輸線需要具有受控阻抗來預測信號的行為并避免其完整性問題。
這就是為什么你需要知道信號在傳輸線上的傳播速度和傳播時間。我們將提供一些公式來計算帶狀線和微帶結構的信號速度和傳播延遲。
什么是信號速度?
讓我們首先討論-下信號在 PCB 互連上傳播的速度。
電磁信號在真空或空氣中傳播的速度與光速相同,即:光速等于Vc=3*10^8 m/s
在這里插入圖片描述
但是信號在傳輸線上的速度達不到光速,因為材料受介電常數Er的影響。計算PCB信號速度的關系如下:
在這里插入圖片描述

Vc 是真空或空氣中的光速
Er 是介電常數
Ereff 是微帶線的有效介電常數 ,其值介于1和 Er 之間。其近似公式如下:
在這里插入圖片描述
因此,信號速度低于空氣。如果 Er ≈ 4(例如 FR4 材料),則帶狀線上的信號速度是空氣中的一半,即約為6英寸/納秒。
所以可以使用 Vp 來表示 PCB 上的信號速度。

什么是傳播延遲?
傳播延遲是信號在傳輸線單位長度上傳播所需的時間:
在這里插入圖片描述

V 是傳輸線中的信號速度
在真空或空氣中,它等于 85 皮秒/英寸 (ps/in)。
在傳輸線上,傳播延遲由下式給
在這里插入圖片描述
下表給出了幾種電路板材料的信號速度和傳播延遲:
在這里插入圖片描述
傳輸線有哪些特點?
讓我們討論一下臨界長度、受控阻抗和上升/下降時間。
如上所述,對于高速或高頻信號,我們需要考慮傳輸線效應。我們可以參考一些經驗法則:
對于高頻模擬信號,設信號的最大頻率為fm Hz.
如何定義臨界長度?
在這里插入圖片描述
這個好理解:
針對1a 周期是頻率的倒數。高中數學的內容
波長等于速度除以周期,再將前文下圖(2a)帶入上圖1b,即得到
在這里插入圖片描述

對于模擬信號,臨界長度lc 定義為信號中包含的最高信號頻率的波長的四分之一。
在這里插入圖片描述
對于數字信號,信號脈沖的最快上升/下降時間是最重要的參數。它定義了從一個邏輯電平到另一個邏輯電平的轉換時間。本質上,它指的是數據位的轉換時間。對于數字信號,臨界長度lc定義為信號傳播時間等于信號脈沖最快上升/下降時間一半的線路長度。
在這里插入圖片描述
如果 tr=數字信號的最快上升/下降時間,則信號在長度 lc 上的傳播時間為 tpd(傳播延遲)。

這個定義意味著信號應該能夠從源頭傳輸長度為 lc 的線路。該信號應該在等于上升/下降時間 tr 的總時間內,沿著相同的長度返回到源點。

如果我們考慮數字信號上升/下降時間中的最高頻率內容,則公式 2a 和 2b 是相關的。

上升/下降時間 tr 的數字信號中最高頻率內容由以下公式給出(根據傅立葉分析):
在這里插入圖片描述
這個公式3c就是傳說中的四分之一波長
公式與前文2a相同
其中fm=0.5/tr 這個由于本人數學有限,無法給出推導過程,僅在另一份培訓視頻中窺見一二,在本文結尾會附上視頻來源。
在這里插入圖片描述
什么是短線
這里給出一張翻譯之后的圖片
在這里插入圖片描述

Reference list:
1.https://www.protoexpress.com/blog/pcb-transmission-line/
2.https://www.youtube.com/watch?v=VtzPL8wQ8-E

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