PCB 设计中的传输線(xiàn)计算器

2021-06-18

PCB 设计中的传输線(xiàn)计算器

传输線(xiàn)是使现代生活成為(wèi)可(kě)能(néng)的那些看似复杂的事物(wù)之一。看似简单的金属電(diàn)缆，实际上是精心设计的系统。PCB 上的痕迹也不例外，它们就像為(wèi)電(diàn)子设备供電(diàn)的血管。

那么什么是传输線(xiàn)呢(ne)？该术语最初用(yòng)于创建 PCB 上的走線(xiàn)和民(mín)用(yòng)電(diàn)源線(xiàn)之间的类比。术语“传输線(xiàn)”往往在没有(yǒu)太多(duō)上下文(wén)的情况下被抛出。并非 PCB 上的所有(yǒu)走線(xiàn)都是传输線(xiàn)，在某些情况下，传输線(xiàn)的设计规则变得很(hěn)重要。

我的痕迹是传输線(xiàn)吗？

术语“传输線(xiàn)”是指 PCB 上走線(xiàn)的行為(wèi)而非其结构。给定的迹線(xiàn)在某些条件下可(kě)能(néng)表现為(wèi)传输線(xiàn)，而在其他(tā)条件下表现為(wèi)简单的导體(tǐ)。

走線(xiàn)是否像传输線(xiàn)一样的答(dá)案取决于信号沿走線(xiàn)传播所需的时间。这个时间被称為(wèi)線(xiàn)路延迟、传播延迟或传输延迟，所有(yǒu)这些术语都可(kě)以互换使用(yòng)。

如果走線(xiàn)中的線(xiàn)路延迟遠(yuǎn)長(cháng)于在走線(xiàn)上传输的数字信号的上升时间，那么走線(xiàn)将起到传输線(xiàn)的作用(yòng)。对于模拟信号，上升时间為(wèi)信号振荡周期的四分(fēn)之一。在这两种情况下，每一端的走線(xiàn)和组件都需要阻抗匹配，以防止出现各种信号完整性问题。

输電(diàn)線(xiàn)路

在線(xiàn)传输線(xiàn)计算器

如果您想要一种快速而肮脏的方法来设计具有(yǒu)特定阻抗值的走線(xiàn)，您可(kě)以使用(yòng)在線(xiàn)传输線(xiàn)计算器。该工具可(kě)以计算多(duō)个关键参数，例如单位長(cháng)度，用(yòng)于描述不同排列的走線(xiàn)，包括微带線(xiàn)、嵌入式微带線(xiàn)和带状線(xiàn)走線(xiàn)。

您将开始注意到的一件事是，大多(duō)数在線(xiàn)传输線(xiàn)计算器完全忽略了传输線(xiàn)阻抗的频率依赖性。实际上，由于频率存在影响，并且该影响更明显取决于系统中的電(diàn)阻、電(diàn)容、電(diàn)感和電(diàn)导。

低频信号遇到的阻抗往往比高频阻抗对频率变化更敏感。一些在線(xiàn)传输線(xiàn)计算器并不总是允许您探索低频下的阻抗，它们通常假设您在高频下工作。

在非常高的频率下，如 RF 应用(yòng)中使用(yòng)的频率，这种频率依赖性会饱和到一个恒定值。因此，大多(duō)数在線(xiàn)计算器都假设您的工作频率足够高，可(kě)以忽略这种依赖性。

传输線(xiàn)计算器的一个重要输出是有(yǒu)效介電(diàn)常数。该参数取决于走線(xiàn)的尺寸，以及导體(tǐ)和基板介電(diàn)常数之间的对比。该参数与光纤中的有(yǒu)效折射率起着相同的作用(yòng)，因為(wèi)它决定了信号沿传输線(xiàn)传播的速度。

这是在線(xiàn)传输線(xiàn)计算器也很(hěn)有(yǒu)用(yòng)的地方。获得有(yǒu)效介電(diàn)常数后，您可(kě)以使用(yòng)它来计算走線(xiàn)中的線(xiàn)路延迟。在计算線(xiàn)路延迟并将其与您的信号上升时间进行比较后，您将得到关于您的走線(xiàn)是否真正作為(wèi)传输線(xiàn)路运行的答(dá)案。

SPICE 仿真和传输線(xiàn)

SPICE 模拟器可(kě)用(yòng)于检查 PCB 中的信号完整性问题，尤其是在高速、高频、HDI和低電(diàn)流应用(yòng)中。并非所有(yǒu) SPICE 仿真都会直接返回传输線(xiàn)的阻抗值；它们将允许您诊断由走線(xiàn)和组件之间的阻抗不匹配引起的信号完整性问题。在線(xiàn)和桌面设计软件包可(kě)让您访问 SPICE 仿真。

由于金属元素被基板電(diàn)介质隔开，所有(yǒu) PCB 都有(yǒu)一些寄生電(diàn)容和電(diàn)感。使用(yòng) SPICE 仿真时，必须通过在等效電(diàn)路模型中添加串联電(diàn)容器和電(diàn)感器以及并联位置来模拟寄生阻抗的影响。

典型的 SPICE 仿真不直接包括这一点，您必须在关键点添加電(diàn)感器和電(diàn)容器以考虑寄生電(diàn)抗。更高级的 SPICE 模拟器直接考虑了这一点。寄生電(diàn)容和電(diàn)感可(kě)以直接根据 PCB 基板的介電(diàn)常数和板上导體(tǐ)的排列来计算。

一个好的 SPICE 模型的输出是有(yǒu)用(yòng)的，因為(wèi)它允许您可(kě)视化诸如振铃、地弹、由于传播延迟导致的信号失配，甚至噪声耦合等问题。在制造之前诊断这些信号问题可(kě)以帮助您避免订購(gòu)一批有(yǒu)缺陷的電(diàn)路板。

此输出通常显示在電(diàn)压（或電(diàn)流）与时间的关系图上。这种类型的输出让您可(kě)以比较输入和输出信号强度、传播延迟和信号完整性。在频域中工作时，您可(kě)以看到定义输入和输出信号之间关系的传递函数。