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传输线的定义和效应

  • 2019-08-19 00:00
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    传输线( Transmission Line)是指由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,有时也称为延迟线。PCB上的传播信号的路径一般可以分为两种,如图1-2-2所示。一种是普通意义下的布线,一般认为在任何时段布线上的任意点上的电势都相等;另一种是传输线,要考虑信号传播时的影响,并假定信号在传输时,沿传输线上的每一点都有不同的电势。

    图1-2-2两种信号布线


两种信号布线


    那么什么时候应该将信号路径认为是传输线呢?如果信号传输路径长度大于信号波长的1%,或接收端元器件是边缘敏感的,或者系统没有过冲和下冲容限,则这时认为该传输路径是传输线。在高速PCB中,大部分传播信号的路径都是传输线。般可以用串联和并联的电容、电阻和电感结构等效PCB上的布线。通常串联电阻的典型值为0.25~0.550Ω。由于存在绝缘层,并联电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容和电感加到实际的PCB连线中后,连线上的最终阻抗称为特征阻抗Z。线径越窄、电源地越远或隔离层的介电常数越低,特征阻抗就越大。如果接收端和传输线的阻抗不匹配,那么输出的信号和信号最终的稳定状态将不同,从而引起信号在接收端产生反射。该反射信号将传回信号发射端,并将再次反射回来,直至反射信号随着能量的减弱而幅度随之减小,最终信号的电压和电流达到稳定。此效应称为振荡,在信号的上升沿和下降沿经常可以看到信号的振荡。


     传输线效应

    基于上述定义的传输线模型,归纳起来,传输线会对整个电路设计带来以下效应。

    反射信号(Reflectedsignals

    延时和时序错误(Delay&Timingerrors)。

    多次跨越逻辑电平门限错误(FalseSwitching)

    过冲与下冲(Overshoot/Undershoot)

    串扰(Crosstalk)。

    电磁辐射(EMR)

    1)反射信号如果一根布线没有被正确终结(终端匹配),那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端将被反射,从而引发不可预期的效应,使信号轮廓失真。当失真变形非常显著时,可导致多种错误发生引起设计失败。同时,失真变形的信号对噪声的敏感性增加了,也会引起设计失败。如果上述情况没有被充分考虑,EM将显著增加,这就不仅影响自身设计结果,而且还会造成整个系统的失败。反射信号产生的主要原因是过长的布线、未被匹配终结的传输线、过量电容或电感及阻抗失配。

    2)延时和时序错误延时和时序错误表现为信号在逻辑电平的高、低门限之间变化时,保持一段时间信号不跳变。过多的信号延时可能导致时序错误和元器件功能的混乱,通常在有多个接收端时会出现问题。电路设计者必须确定最坏情况下的时间延时,以确保设计的正确性。信号延时产生的原因包括驱动过载和布线过长。

    3)多次跨越逻辑电平门限错误信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平门限,从而导致这一类型错误的发生。多次跨越逻辑电平门限错误是信号振荡的一种特殊形式,即信号的振荡发生在逻辑电平门限附近,多次跨越逻辑电平门限将导致逻辑功能紊乱。

    4)过冲与下冲布线过长或信号变化太快,可以导致过冲与下冲的发生。虽然大多数元器件接收端有输入保护二极管保护,但有时这些过冲电平会远远超过元器件电源电压范围,仍会导致元器件的损坏。

    5)串扰在一根信号线上有信号通过时,在PCB上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号,这种现象称为串扰。异步信号和时钟信号更容易产生串扰。解决串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。信号线距离地线越近,或者加大线间距,可以减少串扰的发生。

    6)电磁辐射电磁辐射有两个重要方面:电流流过导体会产生磁场,如图1-2-6所示;将导体放入磁场将会引起感应电流。这两方面符合右手定则。电流流过导体产生的磁场强度受导体形状影响,反之亦然。


图1-2-6电流流过导体会产生磁场

    图1-2-6电流流过导体会产生磁场

    电磁干扰(ElectromagneticInterference,EMI)通常是指设计中不希望出现的电磁辐射。电子干扰包括产生过量的电磁辐射和对电磁辐射的敏感性两个方面。EMI表现为在数字系统由于处理周期和快速的时钟及转换率,致使系统加电运行时,会向周围环境辐射电磁波,从而使周围环境中正常工作的电子设备收到干扰,特别是模拟电路,由于其本身的高增益功能,成为易受影响的电路。EMI产生的主要原因是电路工作频率太高及布局、布线不合理。目前已有进行EMI仿真的软件工具,但大都很昂贵,且仿真参数和边界条件设置又比较困难,直接影响了仿真结果的准确性和实用性。通常可在设计的每个环节应用控制EMI的各项设计规则,以达到控制EMI的目的。