信号完整性-传输线的结构

11.1 传输线的定义

传输线是一种新的理想电路元件。它与前面介绍过的电阻器、电容器和电感器这3种理想电路元件的特性大不相同。传输线有两个非常重要的特征：特性阻抗和时延。信号与传输线的相互作用比较特别，它和其他3种理想电路元件与信号的相互作用截然不同。

在有些情况下，也可以由C和L的组合去近似理想传输线的电气特性。但是，理想传输线的性能与实际测量到的互连性能非常吻合。而且，它的带宽要比LC近似电路高得多。如果将理想传输线这个电路元件添加到工具箱中，就能明显增强我们描述信号与互连相互作用的能力。

传输线由任意两条有一定长度的导线组成。其中一条标记为信号路径，另一条标记为返回路径。同轴电缆是一种传输线，多层板中的PCB线条也是一种传输线。

11.2 返回路径

一般而言，接地一词预留给了电路中其电位比任何其他节点都更低的那部分导体。测量的只是电位差。当选择地节点作为参考点时，电路中的其他节点都处于较高的电平。

通常，传输线中的另一条线被称为地线。将第二条线当成地，所引出的问题要比解决的问题多得多。相反，使用返回路径这一术语是一个良好的习惯。在信号完整性的设计过程中，引起麻烦的一种常见原因就是滥用“地”这个词。我们应该习惯地把其他导体看成返回路径，这是非常有益的。

当把另一条路径当成地时，我们通常会把它看成公共的电流低洼处。返回电流流入这里，又从这里流向其他接地处。这是一种完全错误的观点。返回电流是紧靠着信号电流的。高频时，信号路径和返回路径的回路电感要最小化，这就意味着只要导体的情况允许，返回路径会尽量靠近信号路径分布。

再者，返回电流并没有指定返回导体上的绝对电压值。实际的返回导体可能是个电压平面，如Vcc或Vpp平面；而有时又是一个低电压平面。过去的原理图设计中，人们将它标记为地节点，与以传输线形式传播的信号完全无关。所以将其称为返回路径，将来就会免除很多麻烦。

电流总是在回路中流动的。如果一些电流流向别处，那么它一定会返回到源端。

一旦信号输入传输线，信号就以波的形式，以光速沿线向下传播，而电流就在信号路径、线电容和返回路径组成的回路中流动。

由于趋肤效应，信号电流只分布在导体的表面；第二，返回路径中的电流分布挤近信号路径下面，而且正弦波频率越高，电流分布越挤近。

当频率增加时，返回路径上的电流选择阻抗最低的路径。这种情况等价于选择回路电感最低的路径，即返回电流必将尽量靠近信号电流。频率越高，返回电流直接在信号电流下面流动的这种趋势就越明显。即使在10 MHz时，回路的电流也是高度挤近的。

通常在频率高于100kHz时，绝大部分返回电流直接在信号路径下面流动。无论信号路径是弯曲的还是拐直角弯的，平面上的返回电流都会跟随它。因为采用这种回路，信号路径与返回路径之间的回路电感就会保持最小。

任何妨碍返回电流靠近信号电流的因素，例如返回路径上有一个间隙，都会增加回路电感，并增加信号受到的瞬时阻抗，这将引起信号的失真。

11.3 信号

当信号沿传输线传输时，需要同时用到信号路径和返回路径。所以，在确定信号与互连之间的相互作用时，两条导线是同等重要的。

当两条线一样时，如双绞线，信号路径与返回路径没有严格的区分，即可以指定任意一条为信号路径，而另一条为返回路径。如果两条导线不相同，如微带线，则通常把较窄的那条称为信号路径，而把平面称为返回路径。

把信号接入传输线时，它就以材料中的光速在导线中传输。在信号加入传输线一段时间之后，可以暂时把时间停滞下来，并沿着传输线测量信号的大小。信号总是指信号路径和返回路径之间相邻两点的电压差，如上图所示。

如果知道信号感受到的阻抗，根据信号电压大小就能计算出电流。从这个意义上讲，信号可以被定义成电压或电流。

重要的是，应该区分并关注信号线上的电压及传播中的信号。传播中的信号就是电压沿传输线行进中的动态模式。

当信号走过传输线上的一个点时，示波器探头测得的信号电压就是其幅度值。但是，如果传输线上有多个信号朝着不同的方向传播，这时的示波器探头就无法将其区分开。所测得的电压与传播的信号不再相同。

11.4 均匀传输线

可以按传输线的几何结构对传输线加以分类。几何结构中有两个基本特征完全决定了传输线的电气特性：导线沿线横截面的均匀程度，两条导线的相似度和对称程度。

如果导线上任意一处的横截面都相同，比如同轴电缆，则称这种传输线为 均匀传输线 。下图给出了几种均匀传输线的示例。

我们知道，均匀传输线也称为 可控阻抗传输线 。传输线的种类很多，如双绞线、微带线、带状线和共面线等。

如果传输线是均匀的或阻抗可控的，反射就会减小，信号的质量也就会更优。所有的高速互连都必须设计成均匀传输线。

在整条导线中，如果几何结构或材料属性发生变化，传输线就是不均匀的。例如，如果两条导线的间距是变化的，而不是恒定的，它就是非均匀传输线。连接器的相邻线条通常是非均匀传输线，印制电路板上的线条如果没有返回路径平面，则很可能也是非均匀传输线。非均匀传输线除非线条走线足够短，否则就会引起信号完整性问题，所以应该避免这种情况的发生。

在信号完整性的优化设计过程中，其中一个设计目标是：将所有互连都设计成均匀传输线，并减小所有非均匀传输线的长度。

影响传输线的另一个几何参数就是两条导线的相似程度。如果两条导线的形状和大小都一样，即它们是对称的，就称这种传输线为 平衡传输线 。双绞线的每条导线看起来都是一样的，因此它是对称的，所以是一种平衡传输线。共面线是在同一层并列的两条窄带线，它也是一种平衡传输线。

同轴电缆是非平衡传输线，因为它的中心导线要比外面的导线细。微带线也是一种非平衡传输线，因为两条导线的宽度不一样，其中一条比较窄，另一条比较宽。同理，带状线也是非平衡传输线。

一般而言，绝大多数传输线，无论是平衡的还是非平衡的，它们对信号的质量和串扰效应都不会造成什么影响。然而，返回路径的具体结构将严重影响地弹和电磁干扰问题。

无论传输线是均匀的还是非均匀的，是平衡的还是非平衡的，它都只有一个作用：在可接受的失真度下，把信号从一端传输到另一端。

11.5 传输线上信号的速度

导线周围的材料、信号在传输线导体周围空间形成交变电场和磁场的建立速度和传播速度，决定了信号的传播速度。

如上图所示，信号就是信号路径与返回路径之间的电压差。当信号在传输线上传播时，两条导线之间就会产生电压差，而这个电压差又使两条导线之间产生电场。

除了电压，电流也必然在信号导体和返回导体中流动。这样，两条导线带上了电荷，产生了电压差，进而建立了电场，流过导体的电流回路产生了磁场。

简单地把电池两端分别接到信号路径和返回路径上，就能把信号加到传输线上。突变的电压产生突变的电场和磁场。这种场链在传输线周围的介质材料中，以变化电磁场的速度(即材料光速)传播。

实际上，电场和磁场建立的快慢决定了信号的速度。或者说，只要电场和磁场在变化，它们形成的场链就向外传播，其速度取决于一些常数和材料特性。

电磁场变化(或场链)的速度v由下式得到：

其中，ε_0表示自由空间的介电常数(为8.89×10^−12F/m)，ε_r表示材料的相对介电常数，μ_0表示自由空间的磁导率(4π×10^−7H/m)，μ_r表示材料的相对磁导率。

空气中的相对介电常数和相对磁导率都为1，光的速度约为12 in/ns。实际上，几乎所有互连材料的相对磁导率μ_r都为1。所有不含铁磁体材料的聚合物其磁导率都为1。

相比之下，除了空气，其他材料的介电常数ε_r总是大于1。所有实际互连材料的介电常数都大于1，这说明互连中的光速总是小于12 in/ns，其速度为 v=12/√ε_r in/ns 。

绝大多数互连中的光速约为 (12 in/ns)/√4=6 in/ns 。当估算电路板互连中的信号的速度时，就可以假定它约为6 in/ns。

时延T_D与互连长度的关系：T_D=Len/v 。其中，Len表示互连长度(单位为in)，v表示信号的速度(单位为in/ns)。

这说明，当信号在FR4上长为6 in的互连中传输时，时延约为6 in/(6 in/ns)，即约为1ns。如果传输长度为12 in，则时延为2 ns。

线延迟 ，即每in长度互连时延的ps数，也是一个非常有用的度量单位。它就是速度的倒数1/v。对于FR4，其线延迟约为1/6 in/ns=0.166 ns/in，或者170 ps/in。