信号完整性十万个为什么(传输线理论)

作者 Teddy Gao 一个喜欢文学艺术和写作的工程师

高速通道的互联传输线是我么做信号完整性研究一定绕不开的问题。在几十兆速率下且PCB很短的情况下互联传输线可以被认为是透明的,即传输线不会影响数字信号的质量,即不会影响数字逻辑。

但是近年来数字信号的速率越来越快,已经达到了数十G甚至百G,那么传输线就不能被认为是透明的,其对信号的反射,插损和彼此间的串扰就不能被忽略,会造成非常严重的信号质量失真,进而影响数字的电路的逻辑判定。

下面正式进入传输线相关概念的论述:

传输线的分布参数基础单元模型:


我们可以推导出特征阻抗Z=((R+jwl)/(G+jwc))^(0.5)

通常来说G和R都很小可以忽略所以我们常用Z=(L/C)^(0.5)

补充说明另外一种情况的TEM电磁场传播和类TEM波结构我们可以进行数学上的保角变化将阻抗公式写成Z=1/vC

这里面v=光速c/(DK)^(0.5)        C为电容

TEM波就是信号的传播方向没有电磁场分量。同轴线就是一个典型的例子如下图所示


电磁成同轴电缆横截面


如图所示实线为电磁,虚线为磁场,指向纸内或者外部为电磁场传播方向。电磁分量在信号传播反向完全没有分量。

同轴线进行变形就得到了带状线,我们可以认为带状线是压扁了的同轴线,带状线继续变形就得到了微带线,微带线可以认为是半对称的微带线。是类TEM结构,为什么是类TEM结构。因为微带线是在空气和介质中传播,二者速度不同,所以是类TEM,但是实际的情况传播速度是两个介质中和,看起来是TEM的形式。


微带线和带状线

回国头来高速信号里面微带线和带状线这样结构的传输线变成了看电容的问题。

我们再延伸一下,过孔,电容焊盘,连接器和BGA,和残桩都看了理解为看电容的问题。下面将一个过孔残桩的问题。

过孔残桩

信号的传输方向为传输线到过孔再到传输线。根据Z=1/vC    C=AS/D 信号到达过孔处,由于再残桩的存在,S增大,而D保持不变,材质固定,所以A也固定,那么C增大,所以C增大,最后减小。

下面上图对比残桩保留和去除后TDR对比

TDR对比


我们发现去除残桩之后阻抗明显提升。

今天就到这里下期继续。

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