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1、高速数字系统设计2008年 3月 25日中国科大 快电子学 安琪 2第二章 传输线理论及其应用2-1 典型的分布参数系统 传输线2-2 传输线的物理模型和电报方程2-3 无损耗传输线方程解的物理意义2-4 信号在传输上线上多次反射过程2-5 趋肤效应2-6 实际传输线举例2-7 传输线端接方法2-8 实际应用的一些特殊情况中国科大 快电子学 安琪 32-6 实际传输线举例1 同轴电缆中间的黑色圆心是内导体，一般由单芯或多芯铜线构成，黑色外圈是外导体，由铜丝网组成，两导体中间是介质材料。实际的同轴电缆，其外层导体的外边还有一层绝缘橡胶，主要起保护作用，对同轴电缆的电特性影响不大。同轴电缆是使用非
2、常广泛的一种传输线，最常见 的是一种单芯同轴电缆，它的结构如下图所示，图中给出的是其横截面结构示意图 。单芯同轴电缆实际上是一种双导体线。单芯同轴电缆的横截面结构示意图介质外导体内导体null 频率响应好，适合于高频信号传输。null 制作均匀，特性阻抗一致性好。null 铜丝网构成的外导体通常使用时都接地，因 而具有良好的电磁屏蔽，能够消除外界电磁干扰和信号串扰。同轴电缆是性能优良的传输线，其主要优点是：中国科大 快电子学 安琪 4null 特性阻抗式（2-6-1）同轴电缆的特性阻抗可以由式（2-5-1）计算：式中 d2是整个电缆的外径， d1是内部导体，即内部铜线的直径。同轴电缆的特性阻抗
3、一般都是在制作时已确定，常见的特性阻抗有： 50，75 ，93 和 125。=12rCddln60Zd2/d1=2d2/d1=5d2/d1=12.5决定 ZC的两个因素：null介电常数 ernull中心导体直径与屏蔽外壳直径的比值 :d2/d1单芯同轴电缆的横截面结构示意图介质外导体内导体中国科大 快电子学 安琪 5同轴电缆的延迟时间基本上只由同 轴电缆的双导体间介质材料的介质常数所决定，公式2-5-2给出了单位延迟时间具体的描述。)/(017.1)/(85 ftnseinpsetd =当介质材料为聚乙烯(Polyethylene) 和聚四氟乙烯（Teflon）时，其介质常数（er）为 2.
4、3。所以，单位延迟时间约为: td1. 54ns / ft 。实验室常用的50同轴电缆，一般采用聚乙烯为介质材料，所以，其单位延迟时间大约为 td 5ns/m，（1 ft 30.48cm ）。式（2-6-2）null延迟时间单芯同轴电缆的横截面结构示意图介质外导体内导体中国科大 快电子学 安琪 6null 电缆的带宽同轴电缆的上述优点特别适合高速的数字信号传输。但然，不同速度的数 字电路芯片，对于同轴电缆的带宽要求是不一样的。在选择同轴电缆时，要特别注意电 缆的带宽指标。数字电路输出信号的上升时间和带宽的关系可 以近似地由式（2-6-3）给出：rCtf5.0=式（2-6-3）我们可以用上式分别
5、算出ECL10K系列、 ECL10KH系列和ECLinPS系列芯片的信号频率。注意，式2-5-3中的上升时间的定义是10% 90%，而在ECL逻辑中，上升时间的定义是20% 80%，所以应对上升时间有一个换算。如ECLinPS电路，其典型的上升时间为400ps，换算到10% 90%的上升时间为530ps， 则按式2-5-3算出的频率带宽为943MHz。所以应用到ECLin PS系列芯片的同轴电缆，必须其带宽要求（ 943MHz）。同轴电缆具有优良的电特性，当电性能为 系统设计时的第一因素时，同轴电缆无疑是最佳的选择。同轴电缆也有其短处，造价高，体积大并 且过于笨重。在构造大系统时就不得不考虑这
6、些因素。中国科大 快电子学 安琪 72 双绞线考虑到同轴电缆的成本、体积和重量，当频率响 应要求不是特别高时，人们往往采用双绞线来代替同轴电缆。双绞线的结构如上图所示，它是由两股相互绞在一起的绝缘导线组成。一般是用一种标准的线（ AWG 24-28）, 每英尺绞30圈构成，大约为每厘米一圈。（a）双绞线的横截面 （b）双绞线示意图双绞线的特点是具有相对好的频率响应和很强的 抗干扰能力。这是因为双绞线的使用一定是与 差分电路 相结合。不同种类的差分电路 均有一些驱动器和线接受器，如： ECL10K的MC10109， MC10115和 MC10116等。双绞线与差分电路的结合， 充分利用了差分电路
7、对共模信号的抑制能力，将双绞线上的串扰、外界 干扰和噪声都作为共模信号剔除出去，从而保证了双绞线上所传输信号的质量。 MECL10K和 MECL10KH系列的 ECL差分线接收器电路，正向的共模抑制能力达 1V，而负向的共模抑制能力则可达 3V（ ECL采用负电源供电）。ds导体 导体介质双绞线的频率响应虽然不如同轴电缆好，但它的 价格却低廉的多。这正是双绞线被广泛应用的第二个重要的原因。中国科大 快电子学 安琪 8带屏蔽的双绞线null多根双绞线null总屏蔽中国科大 快电子学 安琪 9null 双绞线的特性阻抗式（2-6-4）同轴电缆的特性阻抗可以由式（2-6-4）计算：式中：S是两个铜导
8、体中心之间的距离，d是铜线的直径。=dSZrC2ln120s/d=3s/d=1.5s/d=2决定 ZC的两个因素：null介电常数 r null导线直径与线间距的比值 : S/dds导体 导体介质中国科大 快电子学 安琪 10双绞线的 单位延迟时间计算公式与同轴电缆的相同，可以由式（ 2-6-2）计算。对于上述的每英尺 30圈的标准双绞线，其特性阻抗为 110。单位延迟时间约为 td 4. 4ns / m 。)/(017.1)/(85 ftnseinpsetd =ds导体 导体介质双绞线的延迟时间中国科大 快电子学 安琪 113 PCB板微带线（Microstrip ) 微带线的结构如下图所示
9、。其底部是地面板，中间是介质层，最上面是信号连线。信号连线的宽度为 w, 高度为 t，也就是人们常说的覆铜的厚度，介质层厚为 h 。当连线的宽/高比在0.1 2.0之间，介质常数在1-15式之间时，用式（2-6-5）计算特性阻抗，误差为5% 。另外，为了减少电场的影响，使用式（2-6-5）时，应注意地面层的宽度应远大于连线的宽度，至 少要比连线的各边沿处都宽出一个连线的宽度。null 特性阻抗微带线的特性阻抗可以由式（2-6-5）计算：+=twheZrc8.098.541.187式（2-6-5 ）微带线的横截面twh中国科大 快电子学 安琪 12特性阻抗讨论上图给出了在几个不同的介质层厚度条件
10、下，特性阻抗ZC与线宽 W的关系曲线，由图可以看出，连线越宽，特性阻抗越小； 并且介质层越厚，特性阻抗越大。+=twheZrc8.098.541.187线宽式（2-6-6）微带线特性阻抗与线宽的关系介质厚度覆铜厚度中国科大 快电子学 安琪 13特性阻抗讨论右边的图给出了 连线的分布电容分别与线宽和特性阻抗的关系曲线。同样从图中的曲 线可以看出，连线越宽，分布电容 越大，而介质层越厚，分布电容则越小。+=twheZrc8.098.541.187分布电容与线宽和介质层厚度的关系w特性阻抗与分布电容的关系Z0CLZc =注意：右下图中的曲线表明特性阻抗则随分布电容反变化，这正与公式相吻合。中国科大
11、快电子学 安琪 14null 微带线的单位延迟时间式（2-6-7）微带线的单位延迟时间可以由公式（2-6-7）计算：)/(67.0475.0017.1)/(67.0475.085ftnseinpsetrrd+=+=右图给出了传输延迟（ td）与介质常数 er的关系曲线。对于常用的G-10环氧树脂板（Fiberglass Epoxy PCB）, 其介质常数约等于 4.8，所以单位延迟时间为：td= 1.77ns/ft，大约为： td= 5.9ns/m 。传输延迟与介质常数的关系曲线注意：这里单位延迟时间也只与介质常数相关，与微带线的宽度和厚度无关。中国科大 快电子学 安琪 154 PCB板带状线
12、（Strip Line) 下图给出了一个带状线的结构示意图。同双层电路板连线类似，多层带状线的线宽和厚度分别由 w和 t表示，上下两层地面层（或电源层）之间的介质厚度由 b表示，带状线的结构示意图null特性阻抗则带状线的特性阻抗 ZC可以由公式（2-5-7）计算：式（2-6-8）+=+=twbetwbeZrrc8.09.1ln60)8.0(67.04ln60中国科大 快电子学 安琪 16带状线特性阻抗讨论+=+=twbetwbeZrrc8.09.1ln60)8.0(67.04ln60右图给出了在几个不同的介质层厚度条件下，特性阻抗ZC与线宽 w的关系曲线，由图可以看出，连线越宽，特性阻抗越小
13、；并且介质层越厚，特性阻抗越大。带状线特性阻抗与线宽w的关系曲线w中国科大 快电子学 安琪 17带状线特性阻抗讨论右上图给出了在几个不同的介质层厚度条件下，连线分布电容与线宽w的关系曲线，由图可以看出，带状线连线与介质层厚度的关系同微带线是类似的。+=+=twbetwbeZrrc8.09.1ln60)8.0(67.04ln60分布电容与线宽和介质层厚度的关系w右下图给出了带状线连线的分布电容与特性阻抗的关系曲线。情形也与微带状线中的关系是类似的。特性阻抗与分布电容的关系Z0中国科大 快电子学 安琪 18null 带状线的单位延迟时间式（2-6-9）带状线的单位延迟时间可以由 公式（2-6-9）
14、计算：)/(016.1)/(85ftnseinpsetrd=右图给出了传输延迟（ td）与介质常数 er的关系曲线。对于常用的G- 10环氧树脂板（Fiberglass Epoxy PCB）, 其介质常数约等于 4.8，所以单位延迟时间为：td= 2.23ns/ft，大约为 td= 7.42ns/m 。显然，带状线的传输延迟时间要大于微带线的传输延迟时间。因此，若需要较小的传输延迟时间，应使用介质常数小的介质材料。带状线传输延迟与介质常数的关系曲线同微带线一样，带状线的单位延迟时间 td也只与介质常数 er相关，与带状线的宽度和厚度无关。中国科大 快电子学 安琪 195 差分PCB板连线与单端
15、信号相比，差分信号的传输具有许多优点:null 差分电路是一种结构对称的电路（互补输出） ，当逻辑变化时，由电源流入差分电路的电流（即回流到地的电流）几乎不变。即 电路所需的电源电流基本是恒定的。地反弹（ Ground Bounce）噪声最小。null 差分电路对共模信号有较强的抑制作用，使信 号受到噪声和串扰的影响减小。null 在一定程度上说，差分线中信号的幅度相同， 相位相反，抵消了对外的辐射，容易满足电磁兼容性的要求。如下图所示。差分线的结构示意图近十年来，随着数字系统的时钟速率迅速提 高，差分信号的使用越来越多， ECL/PECL, LVECL/LVPECL和 LVDS技术已在电路设计中广泛使用。中国科大 快电子学 安琪 20差分传输线的基本耦合形式差分传输线的特性，如特性阻抗，与差分信 号的耦合方式有关。差分 传输线的基本耦合形式有两种：null 边沿耦合 （edge coupled），简称为 边耦合；null 宽面耦合 （broad side coupled），简称为 宽耦合 。对两种耦合方式究 竟哪一种更好一直在讨论中，各有不同的理由和依据，但所有的设计者都同意，在1-2Gbp s范围内，这两种耦合方式的差别是不显著的。由于沿耦合的工艺相对简单，成本相对低，因而大多数 人们更愿意采用沿耦合方式进行设计。边沿耦合宽面耦合两种耦合的几何构成
