传输線(xiàn)上的负载電(diàn)容如何影响信号

2020-10-31

使用(yòng)传输線(xiàn)时，组件的负载電(diàn)容会对接收器处的信号行為(wèi)产生重要影响，因此了解如何影响PCB中的负载電(diàn)容也很(hěn)重要。

当您需要分(fēn)析给定负载分(fēn)量在传输線(xiàn)上的信号行為(wèi)时，负载電(diàn)容会影响S参数和传输線(xiàn)的传递函数，因此需要将其包含在高速/高频信号分(fēn)析中。此外，负载处的实际输入阻抗由频率足够高时的负载電(diàn)容确定。通过这种方法，您可(kě)以更好地了解负载電(diàn)容，并确定负载電(diàn)容如何影响PCB上传输線(xiàn)中的信号。

什么是负载電(diàn)容？

集成電(diàn)路上的负载電(diàn)容是输入引線(xiàn)和最近的参考平面之间的寄生元件。换句话说，连接到组件和传输線(xiàn)的输入焊盘将看到一个与公共接地基准点并联的電(diàn)容（假设传输線(xiàn)和IC共享同一接地层）。

发生这种情况的原因是，当信号到达接收器时，连接到传输線(xiàn)的焊盘被施加一定的電(diàn)压，但是它通过PCB基板和集成電(diàn)路管芯与接地层分(fēn)开。请注意，目前暂时省略了引脚封装電(diàn)感，该電(diàn)感将作為(wèi)传输線(xiàn)和焊盘之间的串联元件。焊盘/接地层与引線(xiàn)/管芯接地层平行的寄生電(diàn)容给出了总负载電(diàn)容。如下電(diàn)路图所示：

传输線(xiàn)在IC的输入焊盘上带有(yǒu)负载電(diàn)容。

终止

在上面的示例中，解决固有(yǒu)阻抗失配的自然解决方案是施加端接。考虑在特性阻抗处并联電(diàn)阻端接（集成在IC中或与外部電(diàn)阻一起使用(yòng)）。在低频下，负载阻抗似乎是终端阻抗。但是，在高频下，负载阻抗似乎完全归因于负载電(diàn)容。这里的要点是：由于负载電(diàn)容，您只能(néng)在有(yǒu)限的带宽上进行阻抗匹配。

源端電(diàn)容

人们自然会问，传输線(xiàn)源侧的電(diàn)容如何？确实，由于焊盘的存在，有(yǒu)一些源電(diàn)容决定了驱动器的输出阻抗。建模时通常会忽略这一点，因為(wèi)从（驱动器+传输線(xiàn)）系统获得的信号仅在驱动器外部进行测量。因此，我们基本上不必担心信号如何到达那里，而只是可(kě)以测量它是什么。我们只需要担心（传输線(xiàn)+负载）系统的输入阻抗。

负载阻抗传递函数

无论将任何信号发射到传输線(xiàn)中，都会受到负载電(diàn)容的影响。然后用(yòng)传递函数对其进行量化。直观地看一下上图，電(diàn)容就像是接地的并联元件，用(yòng)于信号的高频分(fēn)量。因此，即使在信号到达负载之前，连接到真实IC的传输線(xiàn)也起着低通滤波器的作用(yòng)！

直觉很(hěn)好，但是我们如何量化呢(ne)？幸运的是，您可(kě)以使用(yòng)传递函数检查传输線(xiàn)的频率响应。这向您展示了在拉普拉斯域或频域中，负载阻抗和传输線(xiàn)的特性阻抗如何影响频域中的信号。然后，您可(kě)以使用(yòng)傅立叶变换将其转换回时域，以比较初始启动信号和负载处接收到的信号。

為(wèi)此，将ABCD参数用(yòng)于传输線(xiàn)是最容易的。这些与单端線(xiàn)的S参数（插入损耗和回波损耗）有(yǒu)关。单端線(xiàn)路的ABCD矩阵是根据線(xiàn)路的特性阻抗定义的，其含义与S参数相似：

用(yòng)ABCD参数表示传递函数的一般公式。

现在，将这些值插入具有(yǒu)定义的源阻抗和负载阻抗的两端口网络的传递函数的以下通用(yòng)公式中（注意，负载阻抗如上所示）：

用(yòng)ABCD参数表示传递函数的一般公式。

如果我们假设源与传输線(xiàn)匹配，则传输線(xiàn)具有(yǒu)以下传递函数。目前，我已经在Laplace域中编写了此代码：

拉普拉斯域中的传输線(xiàn)传递函数。

请注意，有(yǒu)关電(diàn)气長(cháng)線(xiàn)（即，比临界長(cháng)度長(cháng)）的集成電(diàn)路设计的文(wén)献中给出了一个非常相似的方程式。该方程式准确地告诉您传输線(xiàn)的阻抗和负载電(diàn)容如何影响信号。注意，通常，此等式中的量很(hěn)复杂（包括传播常数），并且适用(yòng)于線(xiàn)路有(yǒu)任何损耗水平的情况。

对于要用(yòng)于分(fēn)析的方程式，您需要包括所有(yǒu)可(kě)能(néng)在系统中造成失真和损耗的影响。这些包括：

電(diàn)介质中的色散和损耗

铜粗糙度

与铜粗糙度有(yǒu)关的集肤效应损耗

以了解有(yǒu)关传输線(xiàn)中这些失真和损耗源的更多(duō)信息，以及如何进行分(fēn)析建模。

分(fēn)析负载電(diàn)容的影响

使用(yòng)传递函数可(kě)以很(hěn)容易地分(fēn)析负载電(diàn)容对传输線(xiàn)和任何传播信号的影响。最好将其汇总在图表中。下图显示了特征阻抗為(wèi)50欧姆的FR4（10 cm带状線(xiàn)，0.48 mm平面间距/0.198 mm宽度，无色散，Dk = 4.4，损耗角正切= 0.02）上的传输線(xiàn)的传递函数幅度和相位与并行端接。在顶部图中可(kě)以清楚地看到高达1-10 GHz的低通行為(wèi)。

传输線(xiàn)的频率响应衰减与负载電(diàn)容

从该图可(kě)以看出，随着负载電(diàn)容的减小(xiǎo)，直到更高的频率才会出现低通滚降。仅通过使用(yòng)具有(yǒu)较小(xiǎo)负载電(diàn)容的组件，我们就能(néng)获得几个额外的GHz余量。在中频处（低于第一个相位反转），由于相位曲線(xiàn)在约10 GHz以下更平坦，因此失真较小(xiǎo)。两条曲線(xiàn)都应说明在信号带宽中阻抗匹配高达高频的难度。在这里，我们甚至没有(yǒu)在这些计算中包括铜的粗糙度，纤维编织效应或集肤效应。

在高速/高频设计上工作时，您只能(néng)控制从PCB一侧在传输線(xiàn)上看到的寄生负载電(diàn)容。您选择的集成電(diàn)路将具有(yǒu)无法更改的定义输入電(diàn)容。但是，您可(kě)以拉动3个杠杆来控制传输線(xiàn)看到的总负载電(diàn)容：

表面层层压板的厚度。PCB对负载電(diàn)容的寄生影响与层的厚度成正比，因此，在表面层与相邻的接地层之间使用(yòng)较薄的层压板有(yǒu)助于将滚降推到更高的频率。 

层压板介電(diàn)常数。PCB对总负载電(diàn)容的贡献与层压板的Dk值成正比，因此在表面层使用(yòng)低Dk层压板可(kě)提供较低的总负载電(diàn)容。 

组件。引線(xiàn)尺寸较小(xiǎo)的组件将趋向于具有(yǒu)较小(xiǎo)的负载電(diàn)容。如果需要将信号完整性保持在非常高的频率（约10 GHz）下，则在选择组件时请记住这一点。 

传输線(xiàn)短？使用(yòng)電(diàn)路模拟器

当線(xiàn)路很(hěn)小(xiǎo)时，我们无需采用(yòng)行波方法，而只需使用(yòng)電(diàn)路理(lǐ)论来描述传输線(xiàn)。这有(yǒu)效地形成了一个不匹配的Pi网络，该网络在高频下也表现出低通行為(wèi)。區(qū)别在于，可(kě)能(néng)会发生谐振和瞬变，就像在标准RLC電(diàn)路中看到的那样。要检查这种类型的系统，可(kě)以使用(yòng)原理(lǐ)图设计软件中的電(diàn)路仿真工具来了解信号行為(wèi)以及需要严格阻尼的设计信号行為(wèi)。