PCBSPI2016XD-7

1、信號(hào)/電源完整性(SPI)分析與設(shè)計(jì)Chapter7第七講第七講PCB互連的阻抗互連的阻抗/速度及建模速度及建模1西安電子科技大學(xué)電路西安電子科技大學(xué)電路CAD研究所研究所李玉山李玉山教育部超高速電路設(shè)計(jì)與教育部超高速電路設(shè)計(jì)與EMC重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室27 7.0 .0 引言引言圖7.1 電路圖中的一條一條互連線(xiàn)，實(shí)際上是兩兩條條線(xiàn)組成的傳輸線(xiàn)傳輸線(xiàn)圖7.1指出人們?cè)诶L制電路圖時(shí)只關(guān)注互連線(xiàn)的信號(hào)路徑。實(shí)際上它是傳輸線(xiàn)，一條是信號(hào)路徑信號(hào)路徑，另一條稱(chēng)作返回返回路徑路徑！原理圖中的互連線(xiàn)原理圖中的互連線(xiàn)傳輸線(xiàn)的信號(hào)路徑傳輸線(xiàn)的信號(hào)路徑傳輸線(xiàn)的返回路徑傳輸線(xiàn)的返回路徑地地國(guó)外工程師已經(jīng)將互連線(xiàn)

2、互連線(xiàn)按傳輸線(xiàn)傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)成阻抗線(xiàn)阻抗線(xiàn)。傳輸線(xiàn)(微帶線(xiàn)-準(zhǔn)TEM?及帶狀線(xiàn)-TEM?)是平面電磁場(chǎng)TEM波傳輸?shù)腣/I波簡(jiǎn)化！便于分析信號(hào)波形、時(shí)延和互連設(shè)計(jì)！根據(jù)阻抗的基本定義，傳輸線(xiàn)有三種阻抗將傳輸線(xiàn)始端的輸入阻抗輸入阻抗簡(jiǎn)稱(chēng)為阻抗阻抗；將信號(hào)隨時(shí)遇到的及時(shí)阻抗稱(chēng)為瞬時(shí)阻抗瞬時(shí)阻抗；如果在信號(hào)前進(jìn)過(guò)程中，傳輸線(xiàn)的橫截面幾何結(jié)構(gòu)都不變，則稱(chēng)其為特性阻抗特性阻抗。3一種糊涂認(rèn)識(shí)：線(xiàn)電阻電阻怎么是50？是并聯(lián)并聯(lián)還是串聯(lián)串聯(lián)？注意，這里應(yīng)是電壓/電流波的傳輸阻抗阻抗而非電阻！傳輸線(xiàn)的兩個(gè)重要特征：特性阻抗特性阻抗和時(shí)延時(shí)延。關(guān)注的重點(diǎn)重點(diǎn)都是：傳輸線(xiàn)對(duì)信號(hào)的作用。(徹底分布式)理想傳輸線(xiàn)理想傳輸

3、線(xiàn)是仿真軟件工具中一種新的電路元件，其模型帶寬相當(dāng)寬。仿真效果更貼近真實(shí)；準(zhǔn)確表征了互連實(shí)際性能；與實(shí)測(cè)結(jié)果也很吻合。但是，理想傳輸線(xiàn)理想傳輸線(xiàn)的電路概念不夠簡(jiǎn)明易懂。下面，重點(diǎn)突出電路概念型的集總參數(shù)傳輸線(xiàn)模型集總參數(shù)傳輸線(xiàn)模型！47.1 返回返回路徑路徑 “接地接地”以往我們直接簡(jiǎn)單地將“地”認(rèn)作傳輸線(xiàn)的返回路徑。在信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)中，最忌諱的就是原先意義上的“地”。中央“地”已經(jīng)難覓，更多的是本地“地”?，F(xiàn)在，關(guān)心的不是“地”，而是真實(shí)信號(hào)附近的返回返回路徑路徑！我們要主動(dòng)地給信號(hào)創(chuàng)造出低阻抗的返回路徑返回路徑！理想情況下，要讓每個(gè)信號(hào)都有單獨(dú)的返回地路徑返回地路徑。一般情況下芯片輸

4、出信號(hào)與地引腳的比率為8:1(認(rèn)為電源引腳數(shù)=地引腳數(shù))；超高速互連則要求這一比率為2:1。5以往把某一路徑稱(chēng)作地地時(shí)，我們已經(jīng)將它默認(rèn)地看成是所有電流的匯合處。隱喻是中央“地地”，即：返回電流流進(jìn)這里，又從這里流向別處。這是一種錯(cuò)錯(cuò)誤誤的觀念!信號(hào)完整性的許多問(wèn)題，都源自返回路徑設(shè)計(jì)不當(dāng)。要認(rèn)真設(shè)計(jì)返回路徑的幾何形狀(它影響到特性阻抗和線(xiàn)間耦合等)。事實(shí)上，只要情況允許，電流信號(hào)總總會(huì)會(huì)自行自行選擇選擇盡量靠近信號(hào)路徑的低阻抗路徑返回低阻抗路徑返回。6圖7.2 不再使用“地地”這個(gè)詞，用返回路徑的概念能避免許多問(wèn)題圖7.2 強(qiáng)調(diào)不要再說(shuō)地地(Ground)了！要主動(dòng)設(shè)計(jì)好返回路徑以消除隱患。

5、追根溯源：可能是當(dāng)初原理圖上只有一個(gè)概念地地而無(wú)返回路徑，誤導(dǎo)誤導(dǎo)了版圖設(shè)計(jì)/分析。在原理圖中，信號(hào)的交流(AC)成分仍被默認(rèn)為從地地返回。而實(shí)際上則可能是以電源，如Vcc或Vdd平面，作其返回路徑。認(rèn)真的PCB版圖設(shè)計(jì)對(duì)SI性能很重要，不能再看作是無(wú)關(guān)緊要的布板、勒版(Layout)。77.2 互連線(xiàn)上的信號(hào)互連線(xiàn)上的信號(hào)在分析信號(hào)與互連的相互作用時(shí)，傳輸線(xiàn)的兩條導(dǎo)線(xiàn)(體)同等重要。信號(hào)路徑與返回路徑是人為劃分的。設(shè)想兩條線(xiàn)一樣，如雙絞線(xiàn)，兩條路徑間沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分。這時(shí)，可以將任意一條視為信號(hào)路徑，而另一條為返回路徑(這進(jìn)一步地顛覆了“地地”的概念)。如果兩條導(dǎo)線(xiàn)不相同，如微帶線(xiàn)，我們通常通

6、常把較窄的那條叫做信號(hào)路徑，而把平面稱(chēng)為返回路徑。89信號(hào)進(jìn)入傳輸線(xiàn)后，以材料中光(電磁)速沿傳輸線(xiàn)向前移動(dòng)。信號(hào)信號(hào)通常是指信號(hào)路徑和返回路徑相鄰兩點(diǎn)間的電壓(根據(jù)傳輸線(xiàn)的阻抗，可以算出電流。因此，信號(hào)信號(hào)可以是電壓電壓或電電流流)，我們可以感受到信號(hào)信號(hào)從左到右的傳輸從左到右的傳輸過(guò)程過(guò)程，如圖7.3所示。圖7.3 某時(shí)刻上升邊上升邊信號(hào)波形,信號(hào)是指信號(hào)線(xiàn)和返回線(xiàn)兩點(diǎn)間的電壓7.3 互連線(xiàn)的均勻性和對(duì)稱(chēng)性互連線(xiàn)的均勻性和對(duì)稱(chēng)性互連線(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)有兩個(gè)基本特征：導(dǎo)線(xiàn)沿線(xiàn)橫截面的均勻程度和兩導(dǎo)線(xiàn)的相似/對(duì)稱(chēng)程度。 均勻性均勻性如果導(dǎo)線(xiàn)上任何一處的橫截面相同，如同軸電纜，稱(chēng)這種互連線(xiàn)為均勻傳輸線(xiàn)。

7、均勻傳輸線(xiàn)也稱(chēng)為可控阻抗傳輸線(xiàn)，如:雙絞線(xiàn)、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和共面線(xiàn)。圖7.4給出了各種均勻傳輸線(xiàn)。1011圖7.4 互連中常用的均勻均勻傳輸線(xiàn)橫截面示例雙絞線(xiàn)同軸線(xiàn)共面線(xiàn)微帶線(xiàn)嵌入式微帶線(xiàn)帶狀線(xiàn)非對(duì)稱(chēng)帶狀線(xiàn) 非非均勻性均勻性整個(gè)互連中的非均勻是常態(tài)！若結(jié)構(gòu)或材料在某一局部出現(xiàn)改變，如遇連接件或線(xiàn)間距改變，互連就成為非均勻傳輸線(xiàn)了。連接件，如雙列連接件，如雙列直插封裝直插封裝(DIP)或扁平封裝扁平封裝(QFP)的一對(duì)引腳形成一段非均勻；PCB板上線(xiàn)條如果局部返回路徑有間隙或信號(hào)線(xiàn)臨近某導(dǎo)體，也可能是一段非均勻。只要把不均勻長(zhǎng)度控制得比較短短即可！12高速互連必須盡可能設(shè)計(jì)成均勻傳輸線(xiàn)，盡量減小

8、非均勻傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度。因?yàn)橹挥芯鶆騻鬏斁€(xiàn)的阻抗是可控的，其反射較小。 對(duì)稱(chēng)性對(duì)稱(chēng)性如果兩導(dǎo)線(xiàn)形狀和大小都一樣，就稱(chēng)作對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)傳輸線(xiàn)。同軸電纜、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)，都是非對(duì)稱(chēng)傳輸線(xiàn)；雙絞線(xiàn)、共面線(xiàn)，就是對(duì)稱(chēng)傳輸線(xiàn)。對(duì)于單端線(xiàn)單端線(xiàn)而言對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)/ /不對(duì)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)無(wú)所謂；在設(shè)計(jì)雙端差分差分對(duì)對(duì)時(shí)就特別強(qiáng)調(diào)對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性！137.4 互連傳輸互連傳輸線(xiàn)上的信號(hào)速度線(xiàn)上的信號(hào)速度如圖7.6所示，信號(hào)信號(hào)是指信號(hào)路徑與返回路徑之間的電電壓壓(或電流電流，以后將隱含不提)。14圖7.6 信號(hào)傳播速度包括交變電壓/電流波的建立速度、傳播速度，它取決于路徑周?chē)牟牧?5場(chǎng)鏈的傳播速度，簡(jiǎn)化的電壓波速度v都都由下式得到：其中

9、： 0 自由空間的介電常數(shù)，其值為8.8910-12 F/m r 材料的相對(duì)介電常數(shù) 0 自由空間的導(dǎo)磁率，其值為410-7 H/m r 材料的相對(duì)導(dǎo)磁率顯然，不同介電常數(shù)介電常數(shù) r決定了不同的信號(hào)速度信號(hào)速度v。這是 r除了影響電容值外，另一個(gè)深遠(yuǎn)影響深遠(yuǎn)影響！代入數(shù)據(jù)可得：(7.5) (7.4)0r0r1=v 8rrrr2.99 10(11.9)=/vm sin ns 16除了鐵、鈷、鎳之外，其他互連材料的相對(duì)導(dǎo)磁率r都為1。因此一般的材料光速光速為：(7.6)空氣(相對(duì))介電常數(shù) r=1， 其速度v =12 in/ns。FR4的介電常數(shù)在4.0到4.5之間。FR4互連中的材料光速約為

10、v = 6in/ns。提醒注意的是：決定微帶線(xiàn)微帶線(xiàn)中信號(hào)速度的 r=有效有效介電常數(shù)eff ，由兩種兩種介質(zhì)的情況確定。若eff3，則v 6.9in/ns。r12= in/nsv17時(shí)延tD與互連長(zhǎng)度Len、速度v的關(guān)系如下：每單位長(zhǎng)度(Inch)互連延時(shí)的ps數(shù)，稱(chēng)為走線(xiàn)時(shí)延。PCB中FR4的走線(xiàn)時(shí)延的走線(xiàn)時(shí)延約為tD =0.166ns/in170ps/in。 (7.7)DLentv7.5 信號(hào)上升邊的空間延伸信號(hào)上升邊的空間延伸每個(gè)信號(hào)都有一個(gè)上升邊tR ，即：從10上升到90的時(shí)間。信號(hào)在傳輸線(xiàn)上傳輸，前沿則在傳輸線(xiàn)上拓展開(kāi)，這就呈現(xiàn)出一個(gè)空間上的延伸。當(dāng)信號(hào)的上升邊走出驅(qū)動(dòng)器之后的某

11、一時(shí)刻，如果我們讓時(shí)間突然停滯，觀察傳輸線(xiàn)上電壓分布的情況，將會(huì)發(fā)現(xiàn)如圖7.7所示。這時(shí)，原先在時(shí)間軸上的上升邊形狀，在這里的空間軸上變成一個(gè)下降邊的形狀。這就稱(chēng)之為前沿的空間延伸前沿的空間延伸。1819圖7.7a 橫軸仍為x，不同t(從左到右依次為t1t6)時(shí)刻的6個(gè)波形空間延伸快照(注意注意： x0處的空間延伸對(duì)應(yīng)時(shí)間軸的上升邊上升邊信號(hào)波形)。圖7.7 當(dāng)信號(hào)在傳輸線(xiàn)上傳輸時(shí)，沿橫軸x方向前沿的空間延伸前沿的空間延伸 d dxt1t6xx0這段空間延伸，就是指?jìng)鬏斁€(xiàn)在上升邊內(nèi)的延伸長(zhǎng)度為d，它取決于信號(hào)的傳播速度和上升邊：(7.8)其中： d 上升邊的空間延伸， in tR 信號(hào)的上升邊

12、， ns v 信號(hào)的速度， in/ns Rdtv20上升邊的時(shí)間時(shí)間上升上升延伸延伸與其空間空間下降下降延伸延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例如，若上升邊為1ns，而FR4上信號(hào)的速度為6in/ns，那么前沿的空間延伸就為d=1ns6in/ns=6in。當(dāng)信號(hào)前沿在電路板上傳輸時(shí)，實(shí)際上就是對(duì)應(yīng)有一個(gè)空域6in的“下降形狀下降形狀漲潮海浪漲潮海浪”在電路板上朝向前方的“岸邊岸邊”推進(jìn)。信號(hào)不完整的嚴(yán)重程度嚴(yán)重程度，與互連突變互連突變(不連續(xù)不連續(xù))長(zhǎng)度長(zhǎng)度/信號(hào)前沿信號(hào)前沿空間延伸空間延伸的比值的比值大小有關(guān)!217.6 互連線(xiàn)的瞬時(shí)阻抗互連線(xiàn)的瞬時(shí)阻抗22首先，考查最簡(jiǎn)化的集總零

13、階集總零階互連線(xiàn)等效模型等效模型由集總小電容器排組構(gòu)成的均勻傳輸線(xiàn)模型，如圖7.9所示。要重點(diǎn)算一下：信號(hào)在行進(jìn)中感受到的瞬時(shí)阻抗。圖7.19 由電容器排組成傳輸線(xiàn)零階零階純電容純電容模型模型。電壓波每前進(jìn)一步就給線(xiàn)電容器充電以形成電流波。這里的“步長(zhǎng)步長(zhǎng) x”就是電容器間的跨度23這個(gè)模型的步長(zhǎng)為x，每步長(zhǎng)電容器的電容量Cx等于傳輸線(xiàn)單位長(zhǎng)度電容量CL與步長(zhǎng)x的乘積：(7.10)xLC =Cx信號(hào)在導(dǎo)線(xiàn)上傳播時(shí)的公式，可推導(dǎo)如下：x=QC VxtvvLICV (7.11 )其中：CL 傳輸線(xiàn)單位長(zhǎng)度的電容量 v 信號(hào)的速度 V 信號(hào)的電壓上述公式就是下面最經(jīng)典(7.12)式的物理意義原型表示

14、！24互連線(xiàn)的瞬時(shí)阻抗ZV/I，由上式可得：其中：Z 傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)阻抗， CL 單位長(zhǎng)度電容量， pF/in r 材料的介電常數(shù)注意 v 材料中的光速 in/ps in/ns (7.12)12r183rrL83=CVIZL L1 1C C v顯然，電容電容CL和介質(zhì)介質(zhì) r將改變瞬時(shí)阻抗。如果某FR4某段微帶線(xiàn)的CL= 3.3 pF/in，則該段瞬時(shí)阻抗Z為50： (7.13)rL8383Z=43.035C7.7 可控的特性阻抗可控的特性阻抗對(duì)于均勻傳輸線(xiàn)，當(dāng)信號(hào)在上面?zhèn)鞑r(shí)，在任何一處受到的瞬時(shí)阻抗都相同。在瞬時(shí)阻抗不變時(shí)，我們將其稱(chēng)為特性阻抗。反映傳輸線(xiàn)均勻且特性恒定的瞬時(shí)阻抗，就稱(chēng)之為“

15、特性阻抗”。為了突出它是傳輸線(xiàn)所固有的特性阻抗，我們給它一個(gè)特殊的符號(hào)Z0，單位是。2526如前所述，傳輸線(xiàn)的特性阻抗為：FR4板上的微帶線(xiàn)， 若線(xiàn)寬w保持是介質(zhì)厚度h的兩兩倍倍同步關(guān)系，則固定有CL= 3.3 pF/in，其特性阻抗約為50。具有相同特性阻抗的具有相同特性阻抗的電路板稱(chēng)作可控阻抗電路板，簡(jiǎn)稱(chēng)：PCB阻抗板。高速PCB，當(dāng)電路板尺寸大于6in、時(shí)鐘頻率高于100MHz時(shí)時(shí)，應(yīng)制成阻抗板。rL83=C0Zr rL LC C (7.14)由(7.14b)式可知：寬導(dǎo)線(xiàn)w和薄介質(zhì)h都將使得特性阻抗降低Z0。如PCB板中電源平面和地平面構(gòu)成電源平面和地平面構(gòu)成傳輸線(xiàn)的特性阻抗通常小于傳

16、輸線(xiàn)的特性阻抗通常小于1。相反，窄導(dǎo)線(xiàn)和厚介質(zhì)構(gòu)成傳輸線(xiàn)特性阻抗較高，典型值為6090之間。27Lr0wCh (5.6b)rL83=Chw0Z0 0r r (7.14b b)28圖7.10 如果介質(zhì)變厚h，Z Z0就增大大 ； 如果線(xiàn)寬加寬w，Z Z0就減小小Z0 變大大50 PCB的橫截面變厚 h h Z0 變小小加寬 w w 7.8 幾種典型的特性阻抗幾種典型的特性阻抗Z0描述的是傳輸關(guān)系，它不消耗功率。它是純電阻性阻抗，表征電壓/電流傳輸中同相的特點(diǎn)。世界上制定了多種互連傳輸線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，如圖7.11。常用的RG58就是帶有BNC(Berkeley Nuclear Corp)型卡式連接件的同軸

17、電纜，其特性阻抗約為52。2930圖7.11 一些常見(jiàn)的可控阻抗傳輸線(xiàn)以及它們的特性阻抗RG174的特性阻抗為50。有線(xiàn)電視用同軸電纜(Cable TV)，例如，RG59的特性阻抗為75。雙絞線(xiàn)(Twisted Pairs)用于高速鏈路、計(jì)算機(jī)接口(SCSI)和通信中，它有1826號(hào)不同規(guī)格的導(dǎo)線(xiàn)，其特性阻抗約為100到130。通常這和典型電路板的差電路板的差分阻抗分阻抗比較相匹配。31在空間傳播的電磁波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)一樣會(huì)受到一個(gè)阻抗。這個(gè)阻抗與兩個(gè)基本常量有關(guān)：自由空間導(dǎo)磁率0和自由空間介電常數(shù) 0：(7.15)這就是自由空間自由空間的特性阻抗，其值約為377。這是個(gè)基礎(chǔ)性的特性阻抗常數(shù)值！

18、當(dāng)天線(xiàn)阻抗與自由空間當(dāng)天線(xiàn)阻抗與自由空間的特性阻抗的特性阻抗(377)匹配時(shí)，天線(xiàn)輻射效果匹配時(shí)，天線(xiàn)輻射效果最優(yōu)最優(yōu)。32000120=376.99Z 377在設(shè)計(jì)一個(gè)新的電子系統(tǒng)時(shí)，只要整個(gè)系統(tǒng)采用的特性阻抗值一致，精確值的選擇并不太重要。但是對(duì)于系統(tǒng)之間的銜接，50是事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。凡是采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，相互間的兼容性就比較好。比如，所有的測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)都與50標(biāo)準(zhǔn)值相匹配，儀器間的反射就會(huì)減少，信號(hào)的質(zhì)量就會(huì)提高。3334性 能低特性阻抗高特性阻抗電路板費(fèi)用較好較差電抗電抗退化退化較好較好較差串?dāng)_串?dāng)_較好較好較差連接連接件件費(fèi)用費(fèi)用較差較好較好雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)/ /電纜費(fèi)用電纜費(fèi)用較差較好

19、較好驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)較差較好功率損耗功率損耗較差較好較好衰減衰減較差較好較好圖7.12 選擇線(xiàn)的特性阻抗是各種因素的權(quán)衡。大多數(shù)系統(tǒng)中選擇50確定整個(gè)系統(tǒng)最佳特性阻抗確定整個(gè)系統(tǒng)最佳特性阻抗有很多因素，表7-12中列出了幾項(xiàng)。低低特性阻抗時(shí)，串?dāng)_小串?dāng)_小(介質(zhì)薄時(shí)邊緣容、感的互耦合系數(shù)均減小)。連接件、元件和過(guò)孔的C引起的電抗電抗退退化化就小(此時(shí)Z0小，則8.28C式 就小)。高特性阻抗時(shí)，連接件/雙絞線(xiàn)易制造，價(jià)格低價(jià)格低。損耗損耗就越低(Z0大趨膚損耗小，見(jiàn)9.59式 )，這在高速系統(tǒng)中非常重要。351=22 0DCLZlnCtLR4.340condZ1990年成立Rambus公司網(wǎng)址：，最初

20、研制高速內(nèi)存接口，現(xiàn)在提供芯片間、系統(tǒng)間、人機(jī)之間的高速互連接口方案。我們2014年翻譯出版的一本專(zhuān)著高速信令抖動(dòng)建模、分析與預(yù)算即是他們的集體創(chuàng)作。在Rambus公司拿手的存儲(chǔ)器技術(shù)中，時(shí)序非常重要，選擇28的低阻抗可以降低串?dāng)_串?dāng)_、減小電抗電抗引起的退化退化。低阻抗傳輸線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)寬度要足夠?qū)?，PCB占用的面積比較大。36為了驅(qū)動(dòng)傳輸線(xiàn)，一般驅(qū)動(dòng)器的輸出電阻與傳輸線(xiàn)的特性阻抗相比會(huì)非常小。例如，如果傳輸線(xiàn)的特性阻抗為50，源內(nèi)阻應(yīng)會(huì)小于10。這時(shí)通常稱(chēng)之為線(xiàn)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗驗(yàn)樗馨呀^大部分電壓加到線(xiàn)線(xiàn)上。驅(qū)動(dòng)互連的電流發(fā)生器、高速CMOS器件，一般都會(huì)設(shè)計(jì)成低輸出阻抗低輸出阻抗。但在高速時(shí)卻

21、出現(xiàn)了阻抗不匹配阻抗不匹配的新問(wèn)題！377.9 傳輸線(xiàn)末端開(kāi)路的傳輸線(xiàn)末端開(kāi)路的輸入阻抗輸入阻抗 通常，傳輸線(xiàn)的接收末端被視作開(kāi)路開(kāi)路。但從源端電池向傳輸線(xiàn)看過(guò)去的輸入阻抗，并不總是開(kāi)路無(wú)窮大無(wú)窮大！在時(shí)域從始端看，若以電池電壓階躍地加在傳輸線(xiàn)始端作起始，上升邊信號(hào)在傳輸線(xiàn)上傳播，傳輸線(xiàn)上的電流是恒定的。這樣，當(dāng)信號(hào)在RG58傳輸線(xiàn)上傳播和返回期間內(nèi)，電池感受到傳輸線(xiàn)像是一個(gè)恒定的電阻52。38圖7.13 用歐姆表測(cè)量一段RG58電纜線(xiàn)的輸入阻抗如圖7.13，從階躍信號(hào)的上升邊出發(fā)計(jì)起，在始端用歐姆表測(cè)量信號(hào)路徑與返回路徑間的阻抗。從開(kāi)始計(jì)在一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得的就是傳輸線(xiàn)RG58的特性阻抗52(這

22、52是真的，不是假的！)。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間后，從始端再看，才感受到電纜開(kāi)路，此時(shí)歐姆表測(cè)得的阻抗為。 397.10 傳輸線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)器源內(nèi)阻分壓傳輸線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)器源內(nèi)阻分壓如圖7.16所示，這是一般驅(qū)動(dòng)器Vout輸出，經(jīng)源內(nèi)阻Rsource 、傳輸線(xiàn)特性阻抗Z0 。這是兩者對(duì)驅(qū)動(dòng)器的輸出Vout進(jìn)行分壓的等效電路模型。圖7.16 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)傳輸線(xiàn)的等效電路模型：電壓源(驅(qū)動(dòng)器) Vout 、輸出源內(nèi)阻Rsource 、傳輸線(xiàn)純電阻性阻抗Z0 (在在線(xiàn)線(xiàn)的往返時(shí)間內(nèi)有效的往返時(shí)間內(nèi)有效)40傳輸線(xiàn)上的電壓V就是傳輸線(xiàn)的阻抗Z0與源電阻Rsource串聯(lián)串聯(lián)分壓的大?。寒?dāng)輸出源內(nèi)阻也是50時(shí)，實(shí)際加到傳輸線(xiàn)

23、上的電壓只有開(kāi)路電壓的一半。例如，輸出電壓為3.3V，加到傳輸線(xiàn)上的電壓只有1.65V。(7.16)00outsourceZVVRZ417.11 電壓電壓/電流波與返回路徑電流波與返回路徑一條信號(hào)線(xiàn)；另一條簡(jiǎn)稱(chēng)為地，這里的“地”就是回路的返回路徑。圖7.18 把電流加到傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)上，長(zhǎng)時(shí)間后的電流分布情況。上上下下兩圖結(jié)構(gòu)相同，遠(yuǎn)端兩圖結(jié)構(gòu)相同，遠(yuǎn)端都都被短路。只是觀察時(shí)刻不同被短路。只是觀察時(shí)刻不同4243圖7.19的傳輸線(xiàn)零階模型由多節(jié)小電容器構(gòu)成。在信號(hào)上升邊這一電壓前沿所到前沿所到之處，電容器兩端的電壓發(fā)生變化 dv/dt，電容器有電流流過(guò) iCdv/dt。圖7.19 只有在只有在

24、信號(hào)電壓變化電壓變化的地方，電流才電流才從信號(hào)路徑流到返回路徑只有在電壓變化處，才有電流出現(xiàn)。因此，可以看作是個(gè)動(dòng)態(tài)前進(jìn)的動(dòng)態(tài)前進(jìn)的電流源電流源。信號(hào)不僅是指電壓波前沿，也是指?jìng)鞑バ羞M(jìn)中的電流波前。信號(hào)的瞬時(shí)瞬時(shí)阻抗阻抗是：信號(hào)電壓信號(hào)電壓波波/ /電流電流波波的及時(shí)比值。為了保持信號(hào)完整性，信號(hào)完整性，就要保持瞬時(shí)阻抗是恒定恒定的。所以，返回路徑必須與返回路徑必須與信號(hào)路徑一樣認(rèn)真設(shè)計(jì)。447.12 過(guò)孔與返回路徑切換過(guò)孔與返回路徑切換 下面下面，重點(diǎn)分析電路板，重點(diǎn)分析電路板設(shè)計(jì)中常被忽略的問(wèn)題！設(shè)計(jì)中常被忽略的問(wèn)題！設(shè)計(jì)返回路徑要靠近信號(hào)路徑，如同軸線(xiàn)和雙絞線(xiàn)。多層板中返回路徑被設(shè)計(jì)成平

25、面。但如圖7.21所示，如果與信號(hào)路徑相鄰的平面2不是被驅(qū)動(dòng)的平面3，情況如何呢？圖7.21 當(dāng)相鄰平面不是返回路徑時(shí)，返回電流分布有所不同4546下面是分析電流的方法：信號(hào)路徑上的電流在懸空的中間平面2的上表面感應(yīng)出渦流渦流(渦流在直流時(shí)是沒(méi)有的！)；第3層平面上的返回電流又在中間平面2的下表面感應(yīng)出渦流渦流。這兩股渦流在中間平面靠近信號(hào)和返回電流輸入端的那一邊相連通。電流的流向如圖7.22所示。圖7.22 當(dāng)相鄰平面不是返回路徑平面時(shí)，電流流動(dòng)的側(cè)視圖47雖然中間平面懸空，但這時(shí)信號(hào)受到的阻抗卻是兩條傳輸線(xiàn)的串聯(lián)。如圖7.24所示，信號(hào)受到的串聯(lián)阻抗為： (7.17)圖7.24 上：驅(qū)動(dòng)器

26、驅(qū)動(dòng)傳輸線(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)(中間平面懸空)；下：等效電路模型，驅(qū)動(dòng)器受到的阻抗為Z1-2Z2-3driver1-22-3ZZ+Z兩平面的阻抗兩平面的阻抗Z Z2-32-3越小，信號(hào)受到的阻抗就越接近越小，信號(hào)受到的阻抗就越接近于于Z Z1-21-2。驅(qū)動(dòng)器實(shí)際受到的阻抗由信號(hào)路徑和與它最近的平面間的阻抗決定。阻抗與鄰近平面的電壓連接沒(méi)有關(guān)系。如四層PCB中間的電源平面2地平面3，最終交流信號(hào)可能選擇電源平面電源平面作返回路徑！而與實(shí)際連接在驅(qū)動(dòng)器返回端的平面無(wú)關(guān)。48490377rhZw 對(duì)于兩個(gè)平面2、3而言，假設(shè)h（平面間介質(zhì)厚度）w(平面寬度)，兩個(gè)平面2、3間的特性阻抗Z0近似為： (7.1

27、8C)其中： h 平面間的介質(zhì)厚度 in w 平面的寬度 mil 注：注：將(5.5)、 (5.6)、 (7.4)帶入 (7.12)式即可得到(7.18C)式。如果FR4的2、3平面寬度為2in、介質(zhì)厚度為10 mil，則2、3間的特性阻抗約為1，它遠(yuǎn)小于50。此時(shí)，對(duì)整個(gè)阻抗起主導(dǎo)作用的是與信號(hào)路徑距離最近與信號(hào)路徑距離最近的那個(gè)平面！50圖7.25A 5層PCB板橫截面中的過(guò)孔過(guò)孔分類(lèi)下面下面分析分析PCB中最有挑戰(zhàn)性的技術(shù)載體：過(guò)孔過(guò)孔。其實(shí)，過(guò)孔過(guò)孔可細(xì)分為如下三種過(guò)孔對(duì)過(guò)孔對(duì)返回返回路徑的影響路徑的影響下面的返回路徑分析是最重要的關(guān)鍵技術(shù)密集點(diǎn)！下面的返回路徑分析是最重要的關(guān)鍵技術(shù)密

28、集點(diǎn)！圖7.25所示4層電路板層電路板(很典型！很典型！)，設(shè)計(jì)的信號(hào)路徑從第1層出發(fā)，穿越過(guò)孔到第4層后再?gòu)?層返回。重點(diǎn)看電路板左側(cè)總返回電流經(jīng)第3層下表面后一部分轉(zhuǎn)移到第2層上表面；而高于10 MHz分量分量更是只只在第2層上表面流動(dòng)。圖7.25 4層板橫截面，信號(hào)路徑從第1層經(jīng)過(guò)孔到第4層。返回電流則從第2層轉(zhuǎn)到第3層(可以假設(shè)第2 2層為電源層；第3 3層為地平面層。信號(hào)加在1 1:3 3間)511234 我們從信號(hào)源頭出發(fā)觀察，可以看出：信號(hào)路徑中的過(guò)孔把信號(hào)電流從第1層轉(zhuǎn)到第4層；其響應(yīng)配套的返回路徑電流則從第2層平面轉(zhuǎn)換到第3層平面！如果兩平面2、3的電位相同，又有過(guò)孔短接，則

29、返回電流就會(huì)走這樣一條低阻抗路徑。這樣的疊層設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)造成很大的阻抗突變。讓最近的參考平面2、3等電位，在靠近信號(hào)過(guò)孔處再將2、3兩平面短接，這是最佳的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。52但是，大多數(shù)鄰近參考平面電壓值是不同的，平面之間沒(méi)有直流通路。在這種條件下，返回電流也要艱難地從3平面轉(zhuǎn)而流到2平面！這時(shí)，電流只能從平面之間的電容電容流過(guò)。返回電流圍繞出砂孔盤(pán)旋而上，并先轉(zhuǎn)換到同一平面的另一表面上。此時(shí)，電流在兩平面的內(nèi)對(duì)表面間流過(guò)，通過(guò)兩平面間的電容電容發(fā)生耦合。圖7.26畫(huà)出兩個(gè)返回路徑平面所構(gòu)成的一對(duì)傳輸線(xiàn)。這時(shí)，返回電流受到的阻抗就是兩平面的瞬時(shí)阻抗兩平面的瞬時(shí)阻抗。5354圖7.26 通過(guò)兩平面間的容

30、性耦合容性耦合，返回電流從第3層轉(zhuǎn)換到第2層平面上當(dāng)返回電流在直流隔開(kāi)的平面間切換時(shí)，返回電流受到的阻抗等于兩平面構(gòu)成傳輸線(xiàn)兩平面構(gòu)成傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)阻抗Z。1234 返回電流流過(guò)這個(gè)阻抗Z，在返回路徑上產(chǎn)生壓降U。這個(gè)在返回返回路徑上的壓降路徑上的壓降就稱(chēng)為地彈地彈。返回返回路徑的阻抗路徑的阻抗越高，壓降就越大，產(chǎn)生的地彈噪聲地彈噪聲就越大。所有參考平面參考平面發(fā)生改變的信號(hào)線(xiàn)改變的信號(hào)線(xiàn)，都會(huì)加劇這一地彈電壓噪聲；并且每條信號(hào)線(xiàn)信號(hào)線(xiàn)又又將受到其它信號(hào)其它信號(hào)地彈噪聲影響。在層間轉(zhuǎn)換信號(hào)使得電源-地平面成為一個(gè)串聯(lián)的公共返回路徑，這也是IRDrop。注意，這里的I是交流電流；R為平面阻抗Z，為了降低Z，平面間的介