傳輸線是由介質(zhì)和導(dǎo)線構(gòu)成的。在PCB上，傳輸線通常分為微帶線和帶狀線。如下圖所示：

為了確保良好的信號(hào)完整性，需要保證傳輸線上每一點(diǎn)的阻抗是一致的。在傳輸線任何點(diǎn)的特性阻抗變化都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，這樣就會(huì)造成噪聲。

但是，在高速PCB中，存在著芯片封裝、breakout區(qū)域、過(guò)孔、分支和其它組件寄生等因素都會(huì)導(dǎo)致阻抗失配。

在高速設(shè)計(jì)中，不受控制的阻抗會(huì)顯著降低電壓和時(shí)序裕量，以致電路惡化或者無(wú)法運(yùn)行下去。咱們能做的事情是盡量減少阻抗不連續(xù)點(diǎn)。

有損傳輸線電路模型：

傳輸線的簡(jiǎn)單模型可以由RLC構(gòu)成，如下圖所示：

通常，把傳輸線分為有損傳輸線和無(wú)損傳輸線。顯然，在PCB上存在的都是有損傳輸線。有損傳輸線可以假定其是由無(wú)限多階RLC構(gòu)成的一個(gè)多級(jí)電路。

串聯(lián)電阻表示分布電阻，單位為每單位長(zhǎng)度的歐姆 (ohm)。串聯(lián)電感表示分布環(huán)路電感，單位為每單位長(zhǎng)度的亨(H)。

分隔兩個(gè)導(dǎo)體的是介電材料，由每單位長(zhǎng)度的電導(dǎo) G 表示，單位為西門子 (S)。并聯(lián)電容器以每單位長(zhǎng)度的法拉 (F) 為單位表示兩個(gè)導(dǎo)體之間的分布電容。

那么，特性阻抗可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中：

Z0是傳輸線的特性阻抗。

R0是傳輸線單位長(zhǎng)度的串聯(lián)電阻。

L0是傳輸線單位長(zhǎng)度的環(huán)路電感。

G0是傳輸線單位長(zhǎng)度的電導(dǎo)。

C0是傳輸線單位長(zhǎng)度的電容。

無(wú)損傳輸線：

無(wú)損傳輸線與R0和G0無(wú)關(guān)，所以其阻抗公式為：

無(wú)損傳輸線雖然在實(shí)際的工程中不存在，但是也不能無(wú)視其存在。無(wú)損傳輸線在很多場(chǎng)合都是非常有意義的。

傳播延時(shí)：

在高速電路中，我們經(jīng)常用傳輸線延時(shí)與信號(hào)上升時(shí)間的大小來(lái)作對(duì)比，并以此來(lái)判斷是否為高速信號(hào)。

從傳輸線A傳遞到B所使用的時(shí)間Tpd就是傳輸線的延時(shí)。給定單位長(zhǎng)度的電感和電容，信號(hào)的傳播延時(shí)可以由以下等式確定：

其中：

Tpd是以秒/單位長(zhǎng)度為單位的傳播延時(shí)。

L0是傳輸線每單位長(zhǎng)度的環(huán)路電感。

C0是傳輸線每單位長(zhǎng)度的電容。

信號(hào)以光速在自由空間中傳播。所以當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)體中傳遞時(shí)，其與傳輸線介質(zhì)的介電常數(shù)是有關(guān)系的。

當(dāng)介質(zhì)確定時(shí)，可以通過(guò)下列公式計(jì)算傳輸線的傳播延遲：

其中：

Dk是材料的介電常數(shù)。

c是自由空間中的光速 ≈3.0x8m/s。

真空的介電常數(shù)是1。空氣的相對(duì)介電常數(shù)約為1。而PCB介質(zhì)的介電常數(shù)通常都大于1，比如常說(shuō)的FR4這類型的材料的介電常數(shù)約為4。所以空氣是一種非常優(yōu)良的介質(zhì)。

由此，我們經(jīng)常使用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算信號(hào)在傳輸線中的延時(shí)或者每1ns在介質(zhì)中傳遞的距離是多少。經(jīng)驗(yàn)公式如下所示：

其中：

Dkeff是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

Len的單位是inch(每1ns所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度)

在進(jìn)行高速電路PCB設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常看到的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)字就是，在PCB上每1ns所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度是6inch，指的就是當(dāng)PCB使用材料的介電常數(shù)是4。

但是實(shí)際上，這還要區(qū)分是微帶線、還是帶狀線，如果是微帶線，其相對(duì)介電常數(shù)是大于1的。

審核編輯：劉清