關(guān)于傳輸線的定義和效應(yīng)

　　傳輸線( Transmission Line)是指由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成回路的連接線，有時(shí)也稱為延遲線。PCB上的傳播信號(hào)的路徑一般可以分為兩種，如圖1-2-2所示。一種是普通意義下的布線，一般認(rèn)為在任何時(shí)段布線上的任意點(diǎn)上的電勢(shì)都相等；另一種是傳輸線，要考慮信號(hào)傳播時(shí)的影響，并假定信號(hào)在傳輸時(shí)，沿傳輸線上的每一點(diǎn)都有不同的電勢(shì)。

圖1-2-2兩種信號(hào)布線

　　那么什么時(shí)候應(yīng)該將信號(hào)路徑認(rèn)為是傳輸線呢?如果信號(hào)傳輸路徑長(zhǎng)度大于信號(hào)波長(zhǎng)的1%，或接收端元器件是邊緣敏感的，或者系統(tǒng)沒有過沖和下沖容限，則這時(shí)認(rèn)為該傳輸路徑是傳輸線。在高速PCB中，大部分傳播信號(hào)的路徑都是傳輸線。般可以用串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)等效PCB上的布線。通常串聯(lián)電阻的典型值為0.25~0.550Ω。由于存在絕緣層，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實(shí)際的PCB連線中后，連線上的最終阻抗稱為特征阻抗Z。線徑越窄、電源地越遠(yuǎn)或隔離層的介電常數(shù)越低，特征阻抗就越大。如果接收端和傳輸線的阻抗不匹配，那么輸出的信號(hào)和信號(hào)最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，從而引起信號(hào)在接收端產(chǎn)生反射。該反射信號(hào)將傳回信號(hào)發(fā)射端，并將再次反射回來，直至反射信號(hào)隨著能量的減弱而幅度隨之減小，最終信號(hào)的電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定。此效應(yīng)稱為振蕩，在信號(hào)的上升沿和下降沿經(jīng)?？梢钥吹叫盘?hào)的振蕩。

　　傳輸線效應(yīng)

　　基于上述定義的傳輸線模型，歸納起來，傳輸線會(huì)對(duì)整個(gè)電路設(shè)計(jì)帶來以下效應(yīng)。

　　a.反射信號(hào)(Reflectedsignals

　　b.延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤(Delay&Timingerrors)。

　　c.多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤(FalseSwitching)

　　d.過沖與下沖(Overshoot/Undershoot)

　　e.串?dāng)_(Crosstalk)。

　　f.電磁輻射(EMR)

　　1)反射信號(hào)如果一根布線沒有被正確終結(jié)(終端匹配)，那么來自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖在接收端將被反射，從而引發(fā)不可預(yù)期的效應(yīng)，使信號(hào)輪廓失真。當(dāng)失真變形非常顯著時(shí)，可導(dǎo)致多種錯(cuò)誤發(fā)生引起設(shè)計(jì)失敗。同時(shí)，失真變形的信號(hào)對(duì)噪聲的敏感性增加了，也會(huì)引起設(shè)計(jì)失敗。如果上述情況沒有被充分考慮，EM將顯著增加，這就不僅影響自身設(shè)計(jì)結(jié)果，而且還會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的失敗。反射信號(hào)產(chǎn)生的主要原因是過長(zhǎng)的布線、未被匹配終結(jié)的傳輸線、過量電容或電感及阻抗失配。

　　2)延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤表現(xiàn)為信號(hào)在邏輯電平的高、低門限之間變化時(shí)，保持一段時(shí)間信號(hào)不跳變。過多的信號(hào)延時(shí)可能導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)誤和元器件功能的混亂，通常在有多個(gè)接收端時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。電路設(shè)計(jì)者必須確定最壞情況下的時(shí)間延時(shí)，以確保設(shè)計(jì)的正確性。信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生的原因包括驅(qū)動(dòng)過載和布線過長(zhǎng)。

　　3)多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤信號(hào)在跳變的過程中可能多次跨越邏輯電平門限，從而導(dǎo)致這一類型錯(cuò)誤的發(fā)生。多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤是信號(hào)振蕩的一種特殊形式，即信號(hào)的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近，多次跨越邏輯電平門限將導(dǎo)致邏輯功能紊亂。

　　4)過沖與下沖布線過長(zhǎng)或信號(hào)變化太快，可以導(dǎo)致過沖與下沖的發(fā)生。雖然大多數(shù)元器件接收端有輸入保護(hù)二極管保護(hù)，但有時(shí)這些過沖電平會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過元器件電源電壓范圍，仍會(huì)導(dǎo)致元器件的損壞。

　　5)串?dāng)_在一根信號(hào)線上有信號(hào)通過時(shí)，在PCB上與之相鄰的信號(hào)線上就會(huì)感應(yīng)出相關(guān)的信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為串?dāng)_。異步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)更容易產(chǎn)生串?dāng)_。解決串?dāng)_的方法是移開發(fā)生串?dāng)_的信號(hào)或屏蔽被嚴(yán)重干擾的信號(hào)。信號(hào)線距離地線越近，或者加大線間距，可以減少串?dāng)_的發(fā)生。

　　6)電磁輻射電磁輻射有兩個(gè)重要方面：電流流過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如圖1-2-6所示；將導(dǎo)體放入磁場(chǎng)將會(huì)引起感應(yīng)電流。這兩方面符合右手定則。電流流過導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度受導(dǎo)體形狀影響，反之亦然。

圖1-2-6電流流過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)

　　電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）通常是指設(shè)計(jì)中不希望出現(xiàn)的電磁輻射。電子干擾包括產(chǎn)生過量的電磁輻射和對(duì)電磁輻射的敏感性兩個(gè)方面。EMI表現(xiàn)為在數(shù)字系統(tǒng)由于處理周期和快速的時(shí)鐘及轉(zhuǎn)換率，致使系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí)，會(huì)向周圍環(huán)境輻射電磁波，從而使周圍環(huán)境中正常工作的電子設(shè)備收到干擾，特別是模擬電路，由于其本身的高增益功能，成為易受影響的電路。EMI產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高及布局、布線不合理。目前已有進(jìn)行EMI仿真的軟件工具，但大都很昂貴，且仿真參數(shù)和邊界條件設(shè)置又比較困難，直接影響了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。通常可在設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用控制EMI的各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)則，以達(dá)到控制EMI的目的。

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