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信號完整性(六)：多長的走線才是傳輸線
2014/09/12
Lee
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多長的走線才是傳輸線？
這和信號的傳播速度有關，在FR4板材上銅線條中信號速度為6in/ns。簡單的說，只要信號在走線上的往返時間大于信號的上升時間，PCB上的走線就應當做傳輸線來處理。
我們看信號在一段長走線上傳播時會發生什么情況。假設有一段60英寸長的PCB走線，如圖1所示，返回路徑是PCB板內層靠近信號線的地平面，信號線和地平面間在遠端開路。
圖1
信號在這條走線上向前傳播，傳輸到走線盡頭需要10ns，返回到源端又需要10ns，則總的往返時間是20ns。如果把上面的信號往返路徑看成普通的電流回路的話，返回路徑上應該沒有電流，因為在遠端是開路的。但實際情況卻不是這樣，返回路徑在信號上后最初的一段時間有電流。
在這段走線上加一個上升時間為1ns的信號，在最初的1ns時間，信號還線條上只走了6英寸，不知道遠端是開路還是短路，那么信號感覺到的阻抗有多大，怎么確定？如果把信號往返路徑看成普通的電流回路的話就會產生矛盾，所以，必須按傳輸線處理。
實際上，在信號線條和返回地平面間存在寄生電容，如圖2所示。當信號向前傳播過程中，A點處電壓不斷不變化，對于寄生電容來說，變化的電壓意味著產生電流，方向如圖中虛線所示。因此信號感受到的阻抗就是電容呈現出來的阻抗，寄生電容構成了電流回流的路徑。信號在向前傳播所經過的每一點都會感受到一個阻抗，這個阻抗是變化的電壓施加到寄生電容上產生的，通常叫做傳輸線的瞬態阻抗。
圖2
當信號到達遠端，遠端的電壓升至信號的最終電壓后，電壓不再變化。雖然寄生電容還是存在，但是沒有電壓的變化，電容相當于開路，這對應的就是直流情況。
因此，這個信號路徑短期的表現和長期的表現不一樣，在起始一小段時間內，表現就是傳輸線。即使傳輸線遠端開路，在信號跳變期間，傳輸線前段的性能也會像一個阻值有限的電阻。
(作者：于爭博士)
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更多內容：
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信號完整性(四)：信號振鈴是怎么產生的
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