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浅谈PCB传输线（一）

news 2025/5/8 4:32:41

前言：浅谈传输线的类型，以及传输线的一些行为特性。
1.传输线的种类
2.互连线被视为传输线的场景
3.传输线的行为特性***

1.传输线的种类
PCB 中的信号传输线通常有两种基本类型: 微带线和带状线。此外，还有第三种类型–共面线(没有参考平面)，但这种线应用并不广泛。

微带传输线: 它由位于电路板外层的单条均匀走线组成，并与导电接地平面平行。该接地平面提供信号的返回路径。走线和接地平面之间由一定高度的 PCB 电介质隔开。

如下图所示。
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带状线传输线: 它由位于电路板内层的均匀走线组成。走线两侧分别由平行的介电层和导电平面隔开。因此，它有两条电流返回路径
参考平面1和参考平面 2
在这里插入图片描述

除了上述传统类型外，共面波导结构在电路板的同一层上具有信号走线和返回路径。信号走线位于中心，被两个相邻的外部接地平面包围。

这种结构被称为"共面”，因为这三个平面结构位于同一平面上。电介质位于其下方。微带线和带状线都可以具有共面结构。
下图是一个带有接地平面的共面微带波导:
在这里插入图片描述
2.互连线被视为传输线的场景
什么时候互连被视为传输线?
用于在源和目的地之间传输信号的一组电导体称为传输线。信号从源到目的地所需的时间与信号中高频分量波长四分之一的时间周期相比，不容忽视。

传输线的两个非常重要的特性是其特性阻抗和单位长度的传播延迟。
如果整个传输线的阻抗没有得到控制，就会出现信号反射、串扰和电猫噪声。如果线路的端接阳抗值不正确，也会出现这种情况。这会影响电路板的信号完整性。

假设信号频率(模拟)或数据传输速率(数字)低于 50 MHz或20 Mbps。
此时，与四分之一波长的时间周期或数字脉冲信号的最快上升时间相比，信号从源传输到目的地所需的时间非常短(<10%)。在这种情况下，可以假设目的地的信号与源信号同时跟随，从而估算互连。在这种低速情况下，可以使用传统的网络分析技术来分析PCB信号。可以忽路任何信号传播时间或传纷线反射等因。
然而，当处理更高频率或更高数据传输速率的信号时，信号源和目的地之间的传播时间不容忽视。因此，无法使用普通的网络分析技术来分析此类高速信号的行为。需要将互连视为传输线，并进行相应的分析。

3.传输线的行为特性
在高频下，传输线需要具有受控阻抗来预测信号的行为并避免其完整性问题。
这就是为什么你需要知道信号在传输线上的传播速度和传播时间。我们将提供一些公式来计算带状线和微带结构的信号速度和传播延迟。
什么是信号速度?
让我们首先讨论-下信号在 PCB 互连上传播的速度。
电磁信号在真空或空气中传播的速度与光速相同，即:光速等于Vc=3*10^8 m/s
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但是信号在传输线上的速度达不到光速，因为材料受介电常数Er的影响。计算PCB信号速度的关系如下：

Vc 是真空或空气中的光速
Er 是介电常数
Ereff 是微带线的有效介电常数，其值介于1和 Er 之间。其近似公式如下:
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因此，信号速度低于空气。如果 Er ≈ 4(例如 FR4 材料)，则带状线上的信号速度是空气中的一半，即约为6英寸/纳秒。
所以可以使用 Vp 来表示 PCB 上的信号速度。

什么是传播延迟?
传播延迟是信号在传输线单位长度上传播所需的时间:
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V 是传输线中的信号速度
在真空或空气中，它等于 85 皮秒/英寸 (ps/in)。
在传输线上，传播延迟由下式给
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下表给出了几种电路板材料的信号速度和传播延迟:

传输线有哪些特点？
让我们讨论一下临界长度、受控阻抗和上升/下降时间。
如上所述，对于高速或高频信号，我们需要考虑传输线效应。我们可以参考一些经验法则:
对于高频模拟信号，设信号的最大频率为fm Hz.
如何定义临界长度?
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这个好理解：
针对1a 周期是频率的倒数。高中数学的内容
波长等于速度除以周期,再将前文下图(2a)带入上图1b,即得到

对于模拟信号，临界长度lc 定义为信号中包含的最高信号频率的波长的四分之一。
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对于数字信号，信号脉冲的最快上升/下降时间是最重要的参数。它定义了从一个逻辑电平到另一个逻辑电平的转换时间。本质上，它指的是数据位的转换时间。对于数字信号，临界长度lc定义为信号传播时间等于信号脉冲最快上升/下降时间一半的线路长度。
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如果 tr=数字信号的最快上升/下降时间，则信号在长度 lc 上的传播时间为 tpd(传播延迟)。

这个定义意味着信号应该能够从源头传输长度为 lc 的线路。该信号应该在等于上升/下降时间 tr 的总时间内，沿着相同的长度返回到源点。

如果我们考虑数字信号上升/下降时间中的最高频率内容，则公式 2a 和 2b 是相关的。

上升/下降时间 tr 的数字信号中最高频率内容由以下公式给出(根据傅立叶分析):
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这个公式3c就是传说中的四分之一波长
公式与前文2a相同
其中fm=0.5/tr 这个由于本人数学有限，无法给出推导过程，仅在另一份培训视频中窥见一二，在本文结尾会附上视频来源。

什么是短线
这里给出一张翻译之后的图片
在这里插入图片描述