PCB 傳輸線是一種互連類型，用于將信號(hào)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(gè)導(dǎo)體組成：信號(hào)走線和返回路徑（通常是接地層）。兩個(gè)導(dǎo)體之間的體積由 PCB 介電材料組成。

在傳輸線上運(yùn)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(hào)在傳輸線上的波傳播的關(guān)鍵方面是，線路沿其長(zhǎng)度的每個(gè)點(diǎn)都具有阻抗，如果沿長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(lái)預(yù)測(cè)信號(hào)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(hào)反射、串?dāng)_、電磁噪聲和其他可能嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量并導(dǎo)致錯(cuò)誤的問(wèn)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(hào)傳輸線互連：微帶線和帶狀線。還有第三種類型——沒(méi)有參考平面的共面，但它在使用中并不常見(jiàn)。

微帶傳輸線由位于 PCB 外層并平行于為信號(hào)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(hào)）組成。走線和地平面由一定高度的 PCB 電介質(zhì)隔開(kāi)。下面是一個(gè)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(hào)）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(kāi)。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(hào)跡線和返回路徑導(dǎo)體。信號(hào)走線位于中心，被兩個(gè)相鄰的外地平面包圍；之所以稱為“共面”，是因?yàn)檫@三個(gè)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(gè)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(hào)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(gè)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(hào)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(gè)幾何形狀均勻。

務(wù)必記住，PCB 傳輸線不僅由信號(hào)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(shí)將互連視為傳輸線？

用于在信號(hào)源和目的地之間連接信號(hào)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(hào)，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(zhǎng)的時(shí)間段相比，無(wú)法忽略信號(hào)從源傳輸?shù)侥康牡厮璧臅r(shí)間信號(hào)中的分量。

傳輸線的兩個(gè)非常重要的特性是其特性阻抗和單位長(zhǎng)度的傳播延遲；如果阻抗在其整個(gè)長(zhǎng)度上沒(méi)有得到控制，或者線路沒(méi)有以正確的阻抗值終止，就會(huì)發(fā)生信號(hào)反射、串?dāng)_、電磁噪聲等，并且信號(hào)質(zhì)量的下降可能嚴(yán)重到造成錯(cuò)誤在信息傳輸和接收中。閱讀我們關(guān)于了解 PCB 中信號(hào)完整性的文章。

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

在這種情況下，可以通過(guò)假設(shè)目的地的信號(hào)同時(shí)跟隨其源的信號(hào)來(lái)近似互連。在這種低速場(chǎng)景下，PCB 信號(hào)可以通過(guò)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)進(jìn)行分析，我們可以忽略任何信號(hào)傳播時(shí)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(hào)時(shí)，與四分之一波長(zhǎng)的時(shí)間段或最快脈沖上升時(shí)間相比，信號(hào)在源和目的地之間的 PCB 導(dǎo)體上的傳播時(shí)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(lái)分析PCB互連上此類高速信號(hào)的行為。需要將互連視為傳輸線并進(jìn)行相應(yīng)分析。

如何預(yù)測(cè)微帶線和帶狀線上的信號(hào)行為？

在高頻下，傳輸線需要具有受控阻抗來(lái)預(yù)測(cè)信號(hào)的行為并避免信號(hào)反射、串?dāng)_、電磁噪聲等，這些可能會(huì)損害信號(hào)質(zhì)量并導(dǎo)致錯(cuò)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(hào)在傳輸線上傳播的速度以及傳播所需的時(shí)間的原因。我們將為您提供一些公式來(lái)計(jì)算帶狀線和微帶線的信號(hào)速度和傳播延遲。

什么是信號(hào)速度？

讓我們首先討論信號(hào)在 PCB 互連上傳播的速度。

電磁信號(hào)在真空或空氣中以與光速相同的速度傳播，即：

信號(hào)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(hào)速度的計(jì)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(hào)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(hào)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(lái)表示 PCB 上的信號(hào)速度。

什么是傳播延遲？

傳播延遲是信號(hào)在傳輸線的單位長(zhǎng)度上傳播所用的時(shí)間：

其中：
V 是傳輸線中的信號(hào)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(hào)速度和傳播延遲：

什么是傳輸線效應(yīng)？

讓我們討論臨界長(zhǎng)度、受控阻抗和上升/下降時(shí)間。

正如我們上面提到的，對(duì)于高速或高頻信號(hào)，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(hào)的情況下，讓信號(hào)中的最大頻率含量 =

如何定義臨界長(zhǎng)度？

對(duì)于模擬信號(hào)，臨界長(zhǎng)度lc定義為信號(hào)中包含的最高信號(hào)頻率波長(zhǎng)的四分之一。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)，信號(hào)脈沖的最快上升/下降時(shí)間是最重要的參數(shù)。它定義了從一個(gè)邏輯電平到另一個(gè)邏輯電平的轉(zhuǎn)換時(shí)間?；旧鲜菙?shù)據(jù)位的轉(zhuǎn)換時(shí)間。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，臨界長(zhǎng)度 lc 定義為信號(hào)傳播時(shí)間為信號(hào)脈沖最快上升/下降時(shí)間一半的線路長(zhǎng)度。

如果 tr = 數(shù)字信號(hào)的最快上升/下降時(shí)間，則信號(hào)在長(zhǎng)度 lc 上的傳播時(shí)間為 tpd（傳播延遲）。lc = tr/2（根據(jù) lc 的定義）。

這個(gè)定義意味著信號(hào)應(yīng)該能夠在線路的長(zhǎng)度 lc 上從源傳播。然后在等于上升/下降時(shí)間 tr 的總時(shí)間內(nèi)返回相同長(zhǎng)度的線 lc 回到源點(diǎn)。

如果我們考慮數(shù)字信號(hào)上升/下降時(shí)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(shí)間 tr 的數(shù)字信號(hào)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(zhǎng)度

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

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

例子：

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

臨界長(zhǎng)度

因此，超過(guò)3/1.5 = 2英寸的信號(hào)走線需要設(shè)計(jì)為受控阻抗線。請(qǐng)注意，1ns 的 tr 對(duì)應(yīng)于最大信號(hào)頻率：

如何從數(shù)據(jù)傳輸率 (DTR) 或時(shí)鐘頻率估計(jì)上升/下降時(shí)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(jìn)行測(cè)量。以及以 Hz 為單位的時(shí)鐘頻率 (Fclock)。

DTR 通常≥ 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(hào)上升/下降時(shí)間，我們可以使用以下規(guī)則：

例子：

對(duì)于 Fclock = 1GHz 或 DTR = Gbps，對(duì)于 Er = 4 的 PCB 材料，我們得到：

如何獲得3dB帶寬？

對(duì)于具有上升/下降時(shí)間 tr 的信號(hào)，3 dB 帶寬由以下規(guī)則給出：

因此，對(duì)于頻率為 Fclock 的時(shí)鐘，我們得到：

如何分析PCB傳輸線？

基本上，高速或高頻信號(hào)在沿傳輸線傳輸期間會(huì)在其周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，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(chǎng)和磁場(chǎng)，而不是通常的電壓和電流。信號(hào)線與其返回路徑之間的電壓將在導(dǎo)體中產(chǎn)生電場(chǎng)和電流，進(jìn)而在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此，電壓、電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)考慮更容易，因此我們?cè)谙旅娴奶幚碇袘?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(wú)窮小的段，每段都可以用網(wǎng)絡(luò)理論概念在空間和時(shí)間的特定點(diǎn)進(jìn)行分析，由于無(wú)窮小段的長(zhǎng)度極小而忽略其旅行時(shí)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(duì) PCB 傳輸線的無(wú)窮小段進(jìn)行建模：

R = 傳輸線單位長(zhǎng)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(wú)窮小的傳輸線的長(zhǎng)度。

那么我們可以將這條傳輸線段描繪如下：

其中：
V(x,t) = 時(shí)間 t 時(shí)位置 x 處的信號(hào)電壓
I(x,t) = 時(shí)間 t 時(shí)位置 x 處的信號(hào)電流

讓我們?cè)陬l域中對(duì)這個(gè)電路進(jìn)行分析。在這里，我們假設(shè)信號(hào)以角頻率 ω 隨時(shí)間正弦變化，因此 V(x,t) 和 I(x,t) 的時(shí)變部分可以通過(guò)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(guò)微分，我們得到：

這個(gè)方程的一個(gè)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(shí)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(hào)波：：