PCB板上多长的走线才是传输线?

出处:百家号 发布于:2020-11-06 15:49:20

  传输线的定义是有信号回流的信号线(由两条一定长度导线组成,一条是信号传播路径,另一条是信号返回路径),  常见的传输线也就是我们PCB板上的走线。那么,PCB板上多长的走线才是传输线呢?

  PCB板上多长的走线才是传输线?

  这和信号的传播速度有关,在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说,只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间,PCB上的走线就应当做传输线来处理。

  我们看信号在一段长走线上传播时会发生什么情况。假设有一段60英寸长的PCB走线,如图1所示,返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面,信号线和地平面间在远端开路。

  图1

  信号在这条走线上向前传播,传输到走线尽头需要10ns,返回到源端又需要10ns,则总的往返时间是20ns。如果把上面的信号往返路径看成普通的电流回路的话,返回路径上应该没有电流,因为在远端是开路的。但实际情况却不是这样,返回路径在信号上后  初的一段时间有电流。

  在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号,在  初的1ns时间,信号还线条上只走了6英寸,不知道远端是开路还是短路,那么信号感觉到的阻抗有多大,怎么确定?如果把信号往返路径看成普通的电流回路的话就会产生矛盾,所以,必须按传输线处理。

  实际上,在信号线条和返回地平面间存在寄生电容,如图2所示。当信号向前传播过程中,A点处电压不断不变化,对于寄生电容来说,变化的电压意味着产生电流,方向如图中虚线所示。因此信号感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻抗,寄生电容构成了电流回流的路径。信号在向前传播所经过的每一点都会感受到一个阻抗,这个阻抗是变化的电压施加到寄生电容上产生的,通常叫做传输线的瞬态阻抗。

  图2

  当信号到达远端,远端的电压升至信号的  终电压后,电压不再变化。虽然寄生电容还是存在,但是没有电压的变化,电容相当于开路,这对应的就是直流情况。

  因此,这个信号路径短期的表现和长期的表现不一样,在起始一小段时间内,表现就是传输线。即使传输线远端开路,在信号跳变期间,传输线前段的性能也会像一个阻值有限的电阻。

  知识扩展:传输线阻抗

  先来澄清几个概念,我们经常会看到阻抗、特性阻抗、瞬时阻抗,严格来讲,他们是有区别的,但是万变不离其宗,它们仍然是阻抗的基本定义:

  将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗;将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗;如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗,就称之为传输线的特性阻抗。特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗,这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素。

  如果没有特殊说明,一般用特性阻抗来统称传输线阻抗。


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