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今天的我们继续第一章节传输线相关知识的讲解。
01 阻抗
(1)传输线等效模型:均匀传输线可以等效为一段段集总元件RLGC的组合。因为R和G可以忽略,最终可以简化为一段段LC电路,如图1所示。
图1 传输线等效模型
(2)特性阻抗:信号在传输过程中每达到一个点,该处信号线和参考平面就会形成电场,进而产生瞬间的小电流,这样在信号传输的过程中,传输线的每一点都会等效成一个电阻,这就是传输线的特性阻抗。
简化公式:Z≈√(????/????)
(3)阻抗在实际应用中最直接的影响就是反射。阻抗连续则信号质量较好,阻抗不连续则会造成信号反射,带来振荡等一系列信号质量问题,如图3、4 阻抗不匹配造成反射问题仿真。
图2、3 ADS仿真:阻抗不匹配造成信号反射
(4)实际工程中,IC出线区、过孔等都会造成阻抗不连续。但阻抗不连续造成的反射对信号的影响并非全部不可接受,主要取决于不连续区域的走线长度和信号频率。一般,不连续区域的传输延时小于0.2倍的上升时间,则阻抗不连续造成的影响较小(和高速信号定义类似)。如图5、6不同长度阻抗不连续走线造成的反射影响的仿真。
图4、5 ADS仿真:不同长度阻抗不连续走线造成的反射影响
02 损耗
(1)理想传输线并不存在,所有信号在传输过程中都会存在损耗。
常见传输线损耗有:导体损耗和介质损耗,低频下损耗主要为导体损耗,高频主要为介质损耗。
(2)导体损耗:通常表现在趋肤效应和表面粗糙度带来的阻性损耗。
a、可以使用反转铜和压延铜来降低表面粗糙度。
b、趋肤效应:随着频率的提高,交变电流集中在导体表面;而临近效应会进一步恶化趋肤效应带来的影响。
图6 铜表面粗糙度
图7 铜材质下不同频率的趋肤深度
(3)介质损耗:通常表现在漏电流和偶极子重取向带来的损耗。
a、漏电流:非理想电介质的带电粒子运动产生的电流;
b、偶极子重取向:在电场作用下,偶极子将沿着电场方向重排列,运动的过程中就像短暂的电流流过介质(也可以理解为克服分子热运动做功),因此造成损耗;
c、损耗角正切(Df):FR4板材通常为0.022,高频板材可以降低一个数量级。
图8 偶极子重取向示意图
(4)介质损耗更容易损耗掉高频分量的能量。可以采用均衡与预加重来补偿信号损失。传输路径越长,损耗越严重。如下图所示。
图9、10 ADS仿真:不同板材和走线长度的损耗对比
(5)微带线与带状线的损耗对比:理论上微带线由于一侧为空气,一侧介质,因此部分磁场分散在空气中,能带来更小的损耗与更快的传播速度。但由于实际中,PCB生产时微带线会覆盖绿油,而绿油的损耗比介质更大,因此在使用高速板材的情况下,微带线的损耗反而大于带状线。
图11、12 ADS仿真:不同板材,有无绿油情况下微带线和带状线的损耗