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在傳輸過程的信號要如何描述?

冬至子 ? 來源:電子工程學習圈 ? 作者:選擇勝過努力 ? 2023-03-08 15:43 ? 次閱讀

傳輸線理論

相較于低速設計,高速設計中的信號由于頻率高,信號的邊沿上升時間快,信號傳輸過程PCB各類組件的寄生參數(shù)影響增加,在接收端接收到的信號幅度會出現(xiàn)衰減,相位和時序會發(fā)生變化。

為了能對高速信號的傳輸過程精確描述,使信號在接收端能夠在其邏輯閾值內對發(fā)送信號進行解析,傳輸線理論在這一類分析中得到了廣泛的應用。

作者說,傳輸線就像高速公路一樣,需要滿足雙向車道不同方向的形成需求,類比高速信號,就是信號路徑與信號回流路徑。傳輸線由兩個金屬層及夾在兩個金屬層之間的電介質絕緣層組成。在高速電路設計中有兩種常用的傳輸線,分別是微帶線和帶狀線,如下圖所示:

圖片

微帶線的模型

圖片

帶狀線的模型

由上圖可知,微帶線分布在PCB的最外層,一般只有一邊有參考平面,帶狀線分布在層內,有兩個參考平面。

信號是以電磁波的形式進行傳播的,對于高速電路的理解,要用電磁場的“電”和“場”的理論去理解,如下圖所示:

圖片

電磁場在空間的傳播及電磁空間分布

那么,當傳輸介質的物理特性發(fā)生變化時,電磁場的交替建立過程不能順利延續(xù),電磁波就會改變傳輸方式,對外的表現(xiàn)就是出現(xiàn)信號的反射和串擾,也就出現(xiàn)了信號完整性的問題。

信號的推進過程

我們要知道電流永遠都是一個回路,電流總是趨于流向阻抗低的路徑。作者說信號的傳輸過程不是從發(fā)送端經過傳輸線的信號發(fā)送路徑到達接收端,再從接收端經過返回路徑返回到發(fā)送端,而是信號在傳輸線周圍空間形成交變的電磁場。

信號在發(fā)送路徑和返回路徑之間建立電磁場,從而使得兩導線之間會產生電壓,這個電壓是沿著傳輸線逐步向前推進的。如下圖所示為信號的推進過程:

圖片

信號的推進過程

信號的推進過程可以看成是給發(fā)送路徑和返回路徑之間的一個個電容器充電的過程,信號每向前移動一段,就要把一些正電荷加到發(fā)送電路,加一些負電荷到接收線路上。那么在恒定時間t內就有恒定的電量Q流出,就可以得到恒定的電流。

信號的電壓由信號源決定,而電流的大小取決于每步長度的電容和電容充電時間的長短,這和信號每步感受到的阻抗相關,這個阻抗稱為瞬態(tài)阻抗。如果信號在傳輸過程的每一步瞬態(tài)阻抗都相同,那么稱該傳輸線為可控阻抗的傳輸線。這是傳輸線的一個重要特性,稱為特性阻抗。

影響特性阻抗的因素

影響特性阻抗的主要因素有線寬、介質厚度、介質的介電常數(shù)、PCB走線的銅皮厚度和PCB走線距離參考平面(信號回流平面)的距離。實際的傳輸線還存在信號損耗,主要包含阻性損耗、介質損耗、相鄰耦合損耗、反射損耗和輻射損耗。

審核編輯:劉清

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