高速電路板設(shè)計之傳輸線理論及實踐

1、Page 1Unrestricted Internal Use高速電路板設(shè)計 之傳輸線理論及實踐Hong yang LiDec. 2010Page 2Unrestricted Internal Use一，傳輸線理論 當(dāng)信號延遲時間遠大于信號跳變時間時, 信號線必須當(dāng)作傳輸線一個沒有合適端接的傳輸線容易產(chǎn)生反射，導(dǎo)致信號的失真，在負載端產(chǎn)生振鈴，使系統(tǒng)速度變慢，甚至使系統(tǒng)時序錯亂，使系統(tǒng)不能正常的工作Page 3Unrestricted Internal Use傳輸線模型上圖為傳輸線模型電感0和電容0均勻地分布在線上，它們的單位是亨利單位長度和法拉單位長度從這個模型可以得到兩個重要的參數(shù)：阻抗0

2、和傳輸延遲時間PD0在一個無損的信號線上，0是一個交流阻抗，對于驅(qū)動電路來說，它是一個純電阻，單位是歐姆，并且Page 4Unrestricted Internal Use傳輸延遲時間同樣也取決于0和0，單位為時間單位單位長度且傳輸線的分類在高速電路板設(shè)計中，只可能碰到兩種傳輸線：帶狀線（stripline）和微帶線（microstrip），Page 5Unrestricted Internal Use如上圖所示，帶狀線是指信號線夾在兩個電源層之間，理論上它能最好地傳輸信號，因為它兩邊都有電源層屏蔽，但很不幸，它讓信號線隱藏在內(nèi)部，不利于測試微帶線的信號線在外層，地層在信號線的另一邊，這樣就易

3、于測試下圖為微帶線，Page 6Unrestricted Internal UsePage 7Unrestricted Internal Use對于微帶線：Page 8Unrestricted Internal Use分布負載的傳輸線的阻抗計算上一節(jié)對傳輸線阻抗的計算是針對在傳輸線的末端接上集總負載的情況，如下圖所示：如果負載是分布在傳輸線上時，這些負載電容將分布在傳輸線上，并增加線電容，這樣就改變了傳輸線的特征參數(shù)阻抗0和傳輸延遲時間PD0改變后的計算公式如下Page 9Unrestricted Internal Use上圖是分布負載的模型Page 10Unrestricted Intern

4、al Use二反射信號源產(chǎn)生帶有能量的信號，接入阻抗為0的傳輸線，盡管傳輸線被視為一個電阻，但它并不消耗能量，信號的能量必須通過負載阻抗吸收從信號源到負載的最大能量傳輸要求負載阻抗等于源阻抗如果兩者不相等，那么信號的一部分能量被負載吸收，一部分被反射回信號源，信號源就會產(chǎn)生相應(yīng)的變化去補償輸出這樣，負載端的信號波形就可以當(dāng)作反射波與信號源輸出的疊加反射波怎么樣，取決于線阻抗與負載阻抗的失配情況及信號跳變時間與傳輸延遲時間的比率RPD如果跳變時間遠大于傳輸延遲時間，信號反射回信號源時，信號源的輸出只改變一點點，所以反射對信號只引起小小的擾動，在負載端表現(xiàn)為小小的過沖如果傳輸延遲時間足夠大，以至當(dāng)

5、反射信號返回信號源時，信號源的輸出已經(jīng)改變了許多，這樣信號源就得作出較大的變化去補償輸出，而負載端又反射信號新一輪的變化，這樣就產(chǎn)生了所謂的振鈴過沖的幅度跟信號線的長度成比例地變化，直到傳輸延遲時間等于跳變時間時，過沖的幅度會和源信號的跳變幅度一樣大Page 11Unrestricted Internal Use一般認(rèn)為，當(dāng)跳變時間小于傳輸延遲時間的倍時，信號線將當(dāng)成傳輸線而保守一點，則認(rèn)為當(dāng)跳變時間小于倍的傳輸延遲時間時，信號線將當(dāng)作傳輸線由此，可以判斷上面所討論的微波線在多大長度時將被視為傳輸線下表給出了倍時對應(yīng)的信號線長度RPD對于跳變時間為ns的器件的信號線，當(dāng)長度小于8.6英寸時，不

6、必把它當(dāng)作傳輸線而對于高速器件，甚至只有英寸的信號線，也可能是傳輸線在實踐中，常常把高速器件的所有信號線都當(dāng)作傳輸線Page 12Unrestricted Internal Use如果傳輸線的負載為分布負載，那么傳輸線的最小長度會更小，如下表所示Page 13Unrestricted Internal Use三端接反射在大多數(shù)系統(tǒng)中影響很大，所以需要一種技術(shù)來消除，至少減小這個反射由于反射在0L時，才能消除，所以可以通過在負載端并聯(lián)一個電阻來減小負載阻抗以消除第一次反射，這種方法稱為并聯(lián)端接也可以通過在輸出端串聯(lián)一個電阻來增加源阻抗以消除第二次反射，這種方法稱為串聯(lián)端接上圖為一并聯(lián)端接模式，由

7、于輸入阻抗往往都很高，所以通常并聯(lián)阻值就等于源端輸出阻抗這種接法有個缺點，就是當(dāng)高電平輸出時電流消耗太大因為并聯(lián)阻值一般就是歐姆Page 14Unrestricted Internal Use上圖是戴維寧并聯(lián)端接，這種方法可以大大減小對輸出電流的需求兩個電阻的并聯(lián)阻值等于輸出阻抗它的缺點就是增加了直流電源的功耗Page 15Unrestricted Internal Use上圖用一個串聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)作為并聯(lián)端接，其中值等于輸出阻抗，電容為幾十?dāng)?shù)量級，確切的容量并不重要，它只是用來通高頻阻低頻的這樣對于輸出驅(qū)動來說，就不存在直流負載了與一般的并聯(lián)終端比較會有較少的電力消耗終端方式是最佳的一種并聯(lián)終端方

8、式Page 16Unrestricted Internal Use還有一個消除反射的方法就是串聯(lián)端接，如上圖所示，就是在輸出端串聯(lián)一個電阻，這個電阻可認(rèn)為是源阻抗的一部分，這樣就可以增加源阻抗到TS0以消除第二次反射這種端接對于集總負載工作的很好由于TS0，所以TS與0的分壓使跳變減為原來的一半，這個信號傳輸?shù)截撦d端后（負載阻抗很大）被完全反射，反射信號與原信號疊加在一起后，信號大小又翻倍，就與源信號大小一樣了這樣就可利用第一次反射來達到輸出信號完全傳送到負載端反射信號返回到輸出端時，由于TS0而被完全傳輸，不再發(fā)生第二次反射對于負載為分布負載時，串聯(lián)端接是一種很危險的作法通常一個非常匹配的端

9、接是不可能的，因為驅(qū)動器的高電平輸出阻抗和低電平輸出阻抗是有差別的這使得端接電阻選擇變的很難，因為不可能有一個對于兩種情況都很理想的端接電阻，設(shè)計者必須折中選擇Page 17Unrestricted Internal Use端接實例：下圖為CS1600由arm芯片輸出給sensor的時鐘信號，源端匹配電阻為歐姆Page 18Unrestricted Internal Use將源端串聯(lián)匹配電阻改為22歐姆，上下沖明顯消失Page 19Unrestricted Internal Use下圖是sensor板的數(shù)據(jù)信號波形，沒有加任何處理措施Page 20Unrestricted Internal U

10、se下圖是增加了串聯(lián)匹配電阻，阻值為82歐姆，信號波形明顯改善，也減小了對的貢獻Page 21Unrestricted Internal Use下圖是對數(shù)據(jù)線進行的串聯(lián)的并聯(lián)終端匹配，由于實驗室器件有限，所以選用阻值為歐姆，容值270pF的電容，也有明顯改善Page 22Unrestricted Internal Use四傳輸線的布線規(guī)則合適端接可以保證信號的抗干擾性，但仍然有可能因不適當(dāng)?shù)牟季€導(dǎo)致較大的噪聲下面的布線規(guī)則可增強電路板的性能避免傳輸線的阻抗不連續(xù)性阻抗不連續(xù)點就是傳輸線突變的點，如直拐角，過孔等，它將產(chǎn)生信號的反射，所以應(yīng)盡可能避免布線時注意以下幾點：避免走線的直拐角，盡可能用

11、45度角走線，或弧線盡可能少用過孔，因為每一個過孔都是一個阻抗不連續(xù)點外層的信號避免通過內(nèi)層，內(nèi)層的信號也避免跑到外層因為為內(nèi)層信號屬于帶狀線，而外層信號屬于微波線，兩種不同類型的傳輸線的阻抗是不同的不要用樁線布線時很容易走出如下圖所示的那樣的樁線，這些都是噪聲源Page 23Unrestricted Internal Use如果樁線很短，那么只需在末端端接就可以了，盡管分布的負載降低了傳輸線的阻抗如果樁線足夠長的話，也是一條條的傳輸線，它以主傳輸線為源，同樣地產(chǎn)生反射，情況就變得很復(fù)雜所以應(yīng)避免長的樁線上圖可改為如下圖所示的兩條走線，并在兩條線的末端都作端接處理Page 24Unrestri

12、cted Internal UseFor a driver with 33 ohm output impedance driving a single-ended trace with 65 ohm characteristic impedance, what would you use for the source termination resistor?10 ohm22 ohm33 ohm47 ohmTESTPage 25Unrestricted Internal UseTESTFor the following circuitry:Page 26Unrestricted Internal Use6/30/2022Unrestricted Internal Use26Which one is the voltage waveform at point A?Page 27Unrestricted Internal