嵌入式第7章传输线的物理基础.ppt

1 第7章传输线的物理基础 传输线概述传输线零阶模型传输线一阶模型 2 传输线概述 传输线类型传输线特性参数 3 传输线类型 双铰线同轴电缆共面线微带线嵌入式微带线带状线非对称带状线均匀传输线 平衡传输线 导线上任何一处的横截面都相同 信号路径与返回路径完全一样 4 传输线特性参数 信号速度瞬态阻抗与特性阻抗 5 1 信号速度 信号是指传输线闭合路径上的电压 差 闭合回路中电压是电流流过阻抗时产生的 电流是电荷的流动形成的 那么电荷的流动速度是否就是信号速度 PCB上的铜导线或任何其它导线回路 6 1 信号速度 电子在铜导线中的速度 DQ 时间段内流过的电量 Dt 时间段 单位为sq 一个电子所带的电量 n 自由电子的密度 m3A 导线的横截面积 单位为m2V 导线中电子的速度 单位为m s 7 1 信号速度 电子在铜导线中的速度 每个铜原子能提供两个自由电子 铜原子之间的距离为1nm 自由电子的密度n n 1027 m3 直径为1mm的导线 横截面积约为A 10 6m2 8 1 信号速度 信号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 两导线之间就会产生电压 而这个电压又使两导线之间产生电场 电流必须在信号路径和返回路径上流动 两导体之间的电流回路产生磁场 变化的电场激发磁场 变化的磁场激发电场 9 1 信号速度 信号路径与返回路径间电磁场的建立速度与传播速度决定信号的速度 信号速度就是电磁波的传播速度 信号速度 e0 自由空间的介电常数 8 89 10 12F mEr 材料的相对介电常数m0 自由空间的导磁率 4p 10 7H mmr 材料的相对导磁率 10 1 信号速度 信号速度 经验法则 绝大多数互连线中的光速约为12in ns sqrt 4 6in ns 电路板上互连线中信号速度约为6in ns 11 1 信号速度 时延TD连线时延 每英寸长度互连线时延的ps数 PD 1 v 12 1 信号速度 信号前沿的空间延伸 d表示上升时间的空间延伸 单位为inRT表示信号的上升时间 单位为nsv表示信号的速度 单位为in ns 13 2 瞬态阻抗与特性阻抗 传输线上信号前沿探测到的电压与电流之比称为传输线的瞬态阻抗信号前沿的电流瞬态阻抗由信号的速度和单位长度的电容决定 均匀传输线上各处的瞬态阻抗恒定 称为特性阻抗瞬态阻抗变化时 反射发生 信号完整性受到破坏 1V 14 第7章传输线的物理基础 传输线概述传输线零阶模型传输线一阶模型 15 传输线零阶模型 零阶模型著明的特性阻抗传输线阻抗传输线的驱动返回路径 16 1 零阶模型 电容容量每步从脚底流出的电流 传输线零阶模型 由一系列电容组成 每走一步就使一个电容充上电 电容之间的跨度就是我们的步长 Q 每步的电量 C 每步的电容Dt 从一个电容跨到另一个电容的时间 CL 传输线单位长度的电容量 Dx 电容间的跨度或步长 V 信号的速度 V 信号的电压 17 1 零阶模型 瞬态阻抗特性阻抗 特性阻抗是描述由几何结构和材料决定的传输线特征的一个物理量 它等于信号沿均匀传输线传播时所受到的瞬态阻抗 18 1 零阶模型 可控阻抗 沿线特性阻抗是一个常量的传输线称为可控阻抗传输线 如果一块电路板上的所有互连线都是可控阻抗传输线 并且有相同的特性阻抗 就把这块电路板叫做可控阻抗电路板 双绞线 同轴线 微带线 带状线都是可控阻抗传输线 可控阻抗互连线的惟一条件就是 横截面是恒定不变的 19 1 零阶模型 特性阻抗随线宽及介质厚度的关系 线宽增加 单位长度电容就增加 相应的特性阻抗就下降 如果介质厚度增加 单位长度电容就减小 相应的特性阻抗就增大 5miles 20 2 著明的特性阻抗 特性阻抗高 容易制造 价格低 但串扰严重 特性阻抗低 串扰小 对接插件 元件和过孔引起的时延累加不敏感 但功耗高 成本高 50 是最佳特性阻抗 一些常见的可控阻抗传输线以及它们的特性阻抗 电视天线 电视电缆 双铰线 自由空间 377W 21 3 传输线阻抗 传输线阻抗 从驱动器测量进入传输线前端的信号得到的阻抗 它随时间而变化 对于相同的传输线 根据末端的连接情况 传输线的长度和测量方法的不同 可以是短路 可以是开路 也可以是开路与短路之间的任意值 用欧姆表测量一段RG58电缆线的输入阻抗 22 3 传输线阻抗 从传输线一端看进去的阻抗是随时间而变化的 在信号往返时间之内 所测量到的阻抗就是特性阻抗 如果等待时间足够长 测量到的阻抗将会是开路 23 4 传输线的驱动 传输线的驱动 Vlaunched 加到传输线上的电压Voutput 驱动器驱动开路电路时的输出电压Rsource 驱动器的输出源电阻Z0 传输线的特性阻抗 24 5 返回路径 返回电流何时返回返回电流分布参考平面非相邻平面参考平面换层 25 返回电流何时返回 把电流加到传输线的信号路径上 返回电流何时从返回路径上返回 若单程1s 是否需2s才能回到源端 26 返回电流何时返回 用零阶模型进行分析 电流在信号电压变化的地方 dV dt不为零 从信号路径流到返回路径上 从返回路径回到源端 27 返回电流分布 返回路径通常是平面 电流在平面上如何分布 在10MHz和100MHz时 微带线和带状线信号路径和返回路径中的电流分布 两种情况中 导线为1盎司铜 线宽为5mil 图中颜色越淡 电流密度越大 28 返回电流分布 29 参考平面非相邻平面 参考平面非相邻平面时返回电流如何走 电流分布总是趋向于减小回路阻抗 30 参考平面非相邻平面 信号路径上的电流在悬空的中间平面的上表面感应出涡流 底平面的返回电流又在中间平面的下表面感应出涡流 这些感应的涡流在中间平面上靠近信号电流和返回电流的输入端的那一边相联通 31 参考平面非相邻平面 从传输线看进去 驱动器在信号路径与底平面之间受到的阻抗为多少 两平面的阻抗Z2 3越小 信号受到的阻抗就越接近于Z1 2 32 参考平面非相邻平面 假设h w 两个长而宽的平面间的特性阻抗可近似为 Z0表示两平面的特性阻抗h表示平面间的介质厚度w表示平面的宽度er表示平面间材料的介电常数 例 FR4 w 2in h 10mil 两平面之间的特性阻抗约为 377W 2 0 01 2 3 8W h 2mil 则两平面间的阻抗为 377W 2 0 002 2 0 75W 当平面间的阻抗远小于50W时 与驱动器直接相连的是哪一个平面已无关紧要 而对阻抗起主导作用的是与信号路径距离最近的那个平面 33 参考平面换层 信号路径在中途换层 返回电流如何走 在电路板的前半部分 返回电流分布在信号路径下方的平面上 即第二层平面的上表面 在电路板的下半部分 返回电流分布在信号路径上方的平面上 即第三层平面的下表面 34 参考平面换层 返回电流是如何从第2层转换到第3层的 2 3层电压相同时 可用过孔将其短接 提供给返回电流从第2层到第3层低阻抗路径 35 参考平面换层 2 3层电压不同时 不能用过孔将其短接 高频时返回电流主要走平面间电容低频返回电流主要走通孔附近的退耦电容 36 参考平面换层 高频走平面间电容 37 参考平面换层 低频走通孔附近的退耦电容 38 参考平面换层 实际的退耦电容 39 参考平面换层 退耦电容电感的影响 谐振频率以下电容才能起作用 1nF电容的阻抗 其回路电感仅为0 5nH 40 参考平面换层 电路设计中应避免返回电流在不同的平面间切换 41 42 参考平面换层 主板与子板参考生平面设计 43 参考平面换层 44 参考平面换层 主板与子板返回路径应在同一方向 45 第7章传输线的物理基础 传输线概述传输线零阶模型传输线一阶模型 46 传输线一阶模型 一阶模型特性阻抗的近似计算带宽与节数特性阻抗与频率的关系 47 1 一阶模型 传输线的一阶模型由许多电容和电感的级联组成 传输线电容和电感均匀分布在整条传输线上 是分布的 一阶模型用有限个电容和电感代替 是集总的 电容和电感越多 模型精度越高 48 1 一阶模型 总电容总电感 CL表示单位长度电容LL表示单位长度电感Len表示传输线长度 49 1 一阶模型 特性阻抗时延 50 1 一阶模型 时延 单位电容 电感 总电容 电感关系 51 1 一阶模型 例如 传输线的特性阻抗为50W 介电常数为4 因此单位长度的电容 电感分别为 CL 83 50 2 3 3pF inLL 0 083 50 2 8 3nH in 52 1 一阶模型 例 如果传输线的时延为1ns 线长为6in 特性阻抗为50W 那么传输线的总电容 总电感 单位长度电容 电感分别为 Ctotal 1ns 50 20pFCL 20pF 6in 3 3pF inLtotal 1ns 50W 50nHLL 50nH 6in 8 3nH in 53 2 特性阻抗的近似计算 微带线 左图 50W微带线 w 2 h 右图 50W带状线 b 2 w FR4板上50W微带线的线宽等于介质厚度的两倍 而50W的带状线 其两平面间的总介质厚度等于线宽的两倍 54 2 特性阻抗的近似计算 同轴电缆双圆杆圆杆 平面 55 3 带宽与节数 理想传输线电路元件是一个分布模型 该模型能精确地表示实际互连线 1in长 50W理想无损耗传输线的测量阻抗 圆圈 与模型仿真阻抗 线 结果 56 3 带宽与节数 一阶模型用LC集总电路单元的级联来近似传输线分布电路模型 需要多少个LC电路单元才能达到给定的精度 如果电路单元太少又会发生什么情况呢 57 3 带宽与节数 研究一段长6in 介电常数为4 50W末端开路传输线的输入阻抗 时延TD 1ns 故 Ctotal TD Z0 1ns 50W 20pF Ltotal Z0 TD 50W 1ns 50nH 下面分别用1节LC集总电路模型近似2节LC集总电路模型近似16节LC集总电路模型近似 58 理想传输线 圆圈 和单个LC集总电路模型 曲线 的仿真阻抗 在100MHz的带宽内 两者相当吻合 C 20pF L 50nH 6in 4 59 3 带宽与节数 当理想传输线长度为半波长的整数倍时 传输线的阻抗就会出现谐振峰值 谐振峰值的频率fres由下式得到 TD 1ns f0 1 TD 1GH fres mX0 5GHz 60 理想传输线的仿真阻抗 圆圈 一节LC和两节LC集总电路模型的仿真阻抗 曲线 一节带宽约为125MHz 1 4x1 2GHz 两节带宽约为250MHz 2 4x1 2GHz 61 理想传输线的仿真阻抗 圆圈 和16节LC集总电路模型的仿真阻抗 曲线 此时带宽达2GHz 16 4x1 2GHz 62 3 带宽与节数 模型带宽公式 例 如果互连线的时延TD 1ns 要求n节LC近似模型的带宽为5GHz 则至少需要 n 10 5GHz 1ns 50节 如果TD为0 5ns 要求的带宽为2GHz 需要LC电路的节数 n 10 2GHz 0 5ns 10 63 3 带宽与节数 模型带宽与信号带宽 例如 如果上升时间为0 5ns 时延为1ns 则精确模型所需LC电路的个数为 n 3 5 1 0 5 7 64 3 带宽与节数 当给定上升时间RT ns 时 n节LC集总电路模型要达到足够高的带宽 每节LC电路对应的线长 英寸 必须小于1 7 RTin 65 4 特性阻抗与频率的关系 从传输线前端看进去的阻抗与频率有密切的关系 那么特性阻抗是否也随频率而变化呢 由于趋肤效应 特性阻抗随着频率而变化 导线为FR4板上1盎司铜制成的50W微带线 在低频时 特性阻抗比较高 约在1MHz开始下降 且直到50MHz以前都一直在下降 从直流到高频 特性阻抗的总下降量约为7W 即变化小于15 66 第7章传输线的物理基础 传输线概述传输线零阶模型传输线一阶模型 67 第7章传输线的物理基础 要求 常用传输线类型双铰线同轴电缆共