PCB 傳輸線是一種互連類型，用于將信號從其發(fā)射器傳輸?shù)接∷㈦娐钒迳系?a target="_blank">接收器。PCB 傳輸線由兩個導(dǎo)體組成：信號走線和返回路徑（通常是接地層）。兩個導(dǎo)體之間的體積由 PCB 介電材料組成。

在傳輸線上運行的交流電通常具有足夠高的頻率以顯示其波傳播特性。電信號在傳輸線上的波傳播的關(guān)鍵方面是，線路沿其長度的每個點都具有阻抗，如果沿長度的線路幾何形狀相同，則線路阻抗是均勻的。我們稱這樣的線為受控阻抗線。不均勻的阻抗會導(dǎo)致信號反射和失真。這意味著在高頻下，傳輸線需要具有受控阻抗來預(yù)測信號的行為。閱讀我們的帖子：為什么受控阻抗真的很重要？

重要的是不要忽視傳輸線效應(yīng)，以避免信號反射、串擾、電磁噪聲和其他可能嚴重影響信號質(zhì)量并導(dǎo)致錯誤的問題。

傳輸線的類型有哪些？

PCB中通常使用兩種基本類型的信號傳輸線互連：微帶線和帶狀線。還有第三種類型——沒有參考平面的共面，但它在使用中并不常見。

微帶傳輸線由位于 PCB 外層并平行于為信號提供返回路徑的導(dǎo)電接地平面的單一均勻跡線（用于信號）組成。走線和地平面由一定高度的 PCB 電介質(zhì)隔開。下面是一個未涂層的微帶線：

帶狀線由位于 PCB 內(nèi)層的統(tǒng)一走線（用于信號）組成。走線在每一側(cè)由平行的 PCB 介電層和導(dǎo)電平面隔開。所以它有兩條返回路徑——參考平面 1 和參考平面 2。

除了上述傳統(tǒng)的微帶線和帶狀線之外，共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在 PCB 的同一層上具有信號跡線和返回路徑導(dǎo)體。信號走線位于中心，被兩個相鄰的外地平面包圍；之所以稱為“共面”，是因為這三個平面結(jié)構(gòu)在同一平面上。PCB 電介質(zhì)位于下方。微帶線和帶狀線都可以具有共面結(jié)構(gòu)。下面是一個帶有地平面的共平面微帶波導(dǎo)：

同軸電纜示例（不是 PCB 傳輸線）：

同軸線呈圓形，不是PCB傳輸線。這種圓形電纜由用于信號的中心導(dǎo)線和用于返回路徑的外部圓形導(dǎo)線組成。兩個導(dǎo)體之間的空間由介電材料填充。外導(dǎo)體線完全包圍信號線。同軸電纜主要用作高頻應(yīng)用的電纜，例如電視等。同軸電纜必須具有均勻的導(dǎo)體幾何形狀，并且介電材料的特性必須沿著整個幾何形狀均勻。

務(wù)必記住，PCB 傳輸線不僅由信號走線組成，還包括返回路徑，通常是相鄰的接地層或共面導(dǎo)體，或兩者的組合。

何時將互連視為傳輸線？

用于在信號源和目的地之間連接信號的一組電導(dǎo)體（如上所述，至少需要兩根導(dǎo)體：一根用于信號，另一根用于返回路徑，通常是接地層）稱為傳輸線（而不僅僅是互連），如果與較高頻率四分之一波長的時間段相比，無法忽略信號從源傳輸?shù)侥康牡厮璧臅r間信號中的分量。

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；如果阻抗在其整個長度上沒有得到控制，或者線路沒有以正確的阻抗值終止，就會發(fā)生信號反射、串擾、電磁噪聲等，并且信號質(zhì)量的下降可能嚴重到造成錯誤在信息傳輸和接收中。閱讀我們關(guān)于了解 PCB 中信號完整性的文章。

當信號頻率（對于模擬信號）或數(shù)據(jù)傳輸速率（對于數(shù)字信號）較低（低于 50 MHz 或 20 Mbps）時，信號從其源傳輸?shù)狡渌璧臅r間與四分之一波長的時間段或數(shù)字脈沖信號的最快上升時間相比，PCB 上的目標將非常小 (< 10%)。

在這種情況下，可以通過假設(shè)目的地的信號同時跟隨其源的信號來近似互連。在這種低速場景下，PCB 信號可以通過傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)進行分析，我們可以忽略任何信號傳播時間或傳輸線反射等。

但是，在處理更高頻率或更高數(shù)據(jù)傳輸速率的信號時，與四分之一波長的時間段或最快脈沖上升時間相比，信號在源和目的地之間的 PCB 導(dǎo)體上的傳播時間不可忽視. 因此，不可能使用普通的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來分析PCB互連上此類高速信號的行為。需要將互連視為傳輸線并進行相應(yīng)分析。

如何預(yù)測微帶線和帶狀線上的信號行為？

在高頻下，傳輸線需要具有受控阻抗來預(yù)測信號的行為并避免信號反射、串擾、電磁噪聲等，這些可能會損害信號質(zhì)量并導(dǎo)致錯誤。閱讀我們關(guān)于使用 Altium 控制阻抗走線的文章。

這就是為什么您需要知道信號在傳輸線上傳播的速度以及傳播所需的時間的原因。我們將為您提供一些公式來計算帶狀線和微帶線的信號速度和傳播延遲。

什么是信號速度？

讓我們首先討論信號在 PCB 互連上傳播的速度。

電磁信號在真空或空氣中以與光速相同的速度傳播，即：

信號在 PCB 傳輸線上以較慢的速度傳輸，受 PCB 材料的介電常數(shù) (Er) 影響。PCB上信號速度的計算關(guān)系如下：

其中：

Vc 是真空或空氣中的光速
Er 是PCB 材料
的介電常數(shù) Ereff 是微帶線的有效介電常數(shù)；它的值介于 1 和 Er 之間，大致由下式給出：

因此，PCB 上的信號速度低于空氣中的速度。如果 Er ≈ 4（如 FR4 材料類型），則帶狀線上的信號速度是空氣中的一半，即大約 6 in/ns。

以后，我們可以使用 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的單位長度上傳播所用的時間：

其中：
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 PCB 傳輸線上，傳播延遲由下式給出：

PCB傳輸線用什么材料？

使用最多的材料是 Isola 370HR、Isola I-Speed、Isola I-Meta、Isola Astra MT77、Tachyon 100G、Rogers 3003 和 Rogers 4000 系列。

下表給出了一些 PCB 材料的信號速度和傳播延遲：

什么是傳輸線效應(yīng)？

讓我們討論臨界長度、受控阻抗和上升/下降時間。

正如我們上面提到的，對于高速或高頻信號，我們需要考慮傳輸線效應(yīng)。我們可以使用一些拇指規(guī)則：

在高頻模擬信號的情況下，讓信號中的最大頻率含量 =

如何定義臨界長度？

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波長的四分之一。

對于數(shù)字信號，信號脈沖的最快上升/下降時間是最重要的參數(shù)。它定義了從一個邏輯電平到另一個邏輯電平的轉(zhuǎn)換時間。基本上是數(shù)據(jù)位的轉(zhuǎn)換時間。對于數(shù)字信號，臨界長度 lc 定義為信號傳播時間為信號脈沖最快上升/下降時間一半的線路長度。

如果 tr = 數(shù)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）。lc = tr/2（根據(jù) lc 的定義）。

這個定義意味著信號應(yīng)該能夠在線路的長度 lc 上從源傳播。然后在等于上升/下降時間 tr 的總時間內(nèi)返回相同長度的線 lc 回到源點。

如果我們考慮數(shù)字信號上升/下降時間中的最高頻率成分，則上面的等式 2a 和 2b 是相關(guān)的。

上升/下降時間 tr 的數(shù)字信號中的最高頻率成分由（根據(jù)傅立葉分析）給出：

這與上面的等式 2a 相同。

什么是短線？

如果線路長度

有短線，則不必考慮其傳輸線效應(yīng)，也不要將其設(shè)計為受控阻抗線。

但是，如果線路長度變長 ，則有必要考慮傳輸線路的影響并將此類線路設(shè)計為受控阻抗線路。

例子：

如果最快的信號上升/下降時間為：tr = 1ns，那么，假設(shè)FR4材料的介電常數(shù)Er = 4，

臨界長度

因此，超過3/1.5 = 2英寸的信號走線需要設(shè)計為受控阻抗線。請注意，1ns 的 tr 對應(yīng)于最大信號頻率：

如何從數(shù)據(jù)傳輸率 (DTR) 或時鐘頻率估計上升/下降時間？

數(shù)據(jù)傳輸率 (DTR) 以每秒位數(shù)（bps 或位/秒或 b/s）為單位進行測量。以及以 Hz 為單位的時鐘頻率 (Fclock)。

DTR 通?！?2 Fclock。從今以后，使用以下規(guī)則將是安全的：

如果我們不知道信號上升/下降時間，我們可以使用以下規(guī)則：

例子：

對于 Fclock = 1GHz 或 DTR = Gbps，對于 Er = 4 的 PCB 材料，我們得到：

如何獲得3dB帶寬？

對于具有上升/下降時間 tr 的信號，3 dB 帶寬由以下規(guī)則給出：

因此，對于頻率為 Fclock 的時鐘，我們得到：

如何分析PCB傳輸線？

基本上，高速或高頻信號在沿傳輸線傳輸期間會在其周圍產(chǎn)生電磁場，最好使用麥克斯韋電磁方程和電磁波傳播理論分析其行為。

在這種方法中，我們必須處理電場和磁場，而不是通常的電壓和電流。信號線與其返回路徑之間的電壓將在導(dǎo)體中產(chǎn)生電場和電流，進而在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場。因此，電壓、電流、電場和磁場都以波的形式沿著傳輸線傳播。

電磁波傳播與電壓和電流沿傳輸線的傳播之間存在密切的類比。由于用熟悉的電壓和電流而不是電場和磁場來考慮更容易，因此我們在下面的處理中應(yīng)該使用傳輸線的電壓/電流分析。

什么是傳輸線參數(shù)？

傳輸線是大量無窮小的段，每段都可以用網(wǎng)絡(luò)理論概念在空間和時間的特定點進行分析，由于無窮小段的長度極小而忽略其旅行時間。

在這種分析技術(shù)中，我們將處理電壓和電流等量，以及電阻、電感、電容和電導(dǎo)等傳輸線參數(shù)。我們將根據(jù)傳輸線的以下參數(shù)對 PCB 傳輸線的無窮小段進行建模：

R = 傳輸線單位長度的電阻（或 pul）（R 單位為歐姆）
L = 傳輸線的電感 pul（L 單位為亨利）
C = 傳輸線的電容 pul（C 單位為法拉 )
G = 傳輸線的電導(dǎo) pul (G 單位為 Mhosl)

我們可以用 Δx 表示無窮小的傳輸線的長度。

那么我們可以將這條傳輸線段描繪如下：

其中：
V(x,t) = 時間 t 時位置 x 處的信號電壓
I(x,t) = 時間 t 時位置 x 處的信號電流

讓我們在頻域中對這個電路進行分析。在這里，我們假設(shè)信號以角頻率 ω 隨時間正弦變化，因此 V(x,t) 和 I(x,t) 的時變部分可以通過因子顯示，我們現(xiàn)在有：

使用上面的基爾霍夫定律，我們得到以下關(guān)系：

從這些，通過微分，我們得到：

這個方程的一個解是：

從方程 2，

α 的單位為 pul

如果我們乘以等式 4aejwt, 以重新合并正弦電壓和電流的時間變化，我們將看到現(xiàn)在這些等式表示在傳輸線上沿 x 正方向傳播的電壓和電流信號波：：