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1、前言：我们做电子设计，遇到高速电路时会遇到很多问题，也会有很多新名词，比如： 过冲，下冲，时延，阻抗，反射等，经过我的反复思考与研究，得到一些心得，跟大家一起分享。随着信号传送速度迅猛的提高和高频电路的广泛应用，对印刷电路板也提出了更高的要求。印刷电路板提供的电路性能必须能够使信号在传输过程中不发生反射现象，信号保持完整，降低传输损耗，起到匹配阻抗的作用，这样才能得到完整、可靠、精确、无干扰、噪音低的传输信号。在高速数字电路的PCB 设计上，我们设计的产品不管是用到DDR2 ，还是DDR3内存，不管是PCIE 差分还是SATA 传输，都用到了高速PCB 设计技术，而我们所设计的 PCB 用了阻
2、抗控制技术后，基本上没有出现是PCB 问题跑不通的情况。要理解高速信号的设计知识，先要从一些基础电子知识说起。基础知识导体中的自由电子在电场的作用下定向移动形成电流。电流方向只是物理学中约定俗成的一个规定,物理上规定电流的方向是正电荷的定向移动的方向或者负电荷的定向移动的反方向。电流的速度不是电子运动速度，而是电场的速度。图 1. PA6000功率分析仪的电磁抗扰度测试现场图 2 ：定向移动的电子电场的传播速度和阻抗没有直接关系，但它们都与导体周围的介质有关电信号的传播速度是与导体周围的介质介电常数有关的，电信号在真空中 （指导体周围比较大的范围内都是真空）的传播速度是光速3*108 m/s,
3、换算为 30 cm/ns。在其它的介质中，它的传输速度是不一样的，如果相对介电系数是Er ，则传播速度为30/Er0.5。例如，在水中，水的相对介电系数是80 ，所以，传播速度约是真空中的1/9，即： 30/800.5 = 3.35 cm/ns。在 PCB 中， FR4 的相对介电系数约为4，所以，传播速度是真空中的一半，即：30/40.5 = 15 cm/ns。传输线的特征阻抗是什么传输线的特征阻抗，又称为特性阻抗，是我们在进行高速电路设计的时候经常会提到的一个概念。信号在传输线中传输的过程中，在信号到达的一个点，传输线和参考平面之间会形成电场，由于电场的存在，会产生一个瞬间的小电流，这个小
4、电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压，这样在信号传输过程中，传输线的每一点就会等效成一个电阻，这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。这里一定要区分一个概念，就是特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信号)来说的，对于直流信号，传输线有一个直流阻抗，这个值可能会远小于传输线的特征阻抗。一旦传输线的特性确定了 (线宽，与参考平面的距离等特性)，那么传输线的特征阻抗就确定了。一般的PCB走线特征阻抗计算公式：Z0 (L/C)0.5其中 L 是单位长度传输线的固有电感，C 是单位长度传输线的固有电容。通过这个简单的计算公式我们能看出来，要改变传输线的特征阻抗就要改变单位长度传输线的固有
5、电感和电容。影响传输线特征阻抗的几个因素根据以上公式，这样我们就能更好的理解影响传输线特征阻抗的几个因素：a. 线宽与特征阻抗成反比。增加线宽相当于增大电容，也就减小了特征阻抗，反之亦然。b. 介电常数与特征阻抗成反比。同样提高介电常数相当于增大电容。c. 传输线到参考平面的距离与特征阻抗成正比。增加传输线与参考平面的距离相当于减小了电容，这样也就减小了特征阻抗，反之亦然。d. 传输线的长度与特征阻抗没有关系。通过公式可以看出来L 和 C 都是单位长度传输线的参数，与传输线的长度并没有关系。e. 线径与特征阻抗成反比。由于高频信号的趋肤效应，影响较其他因素小。图示理解信号传播下面再以图示的方法
6、说明下，传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、 电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L 和单位长度的电容C 以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成。图 3：传输线模型1在上图里，以t1 时间段来说，电阻Ra1 的阻值很小，电感L1 也很小，电容C1也很小， 电阻 Rb1 很大。 电信号从低电平变高电平高电平，它不
7、是整条导线上一下子就变为高电平了，而是像钱塘江大潮涨潮或波浪推进时，是有一个过程的。钱塘江大潮来后，就把江面从低水位变到高水位了，波浪是一个一个的来，就像高频信号不停的传输。信号电场也如潮水一样，它是后面的推前边的，前面的继续向前。图 4 ：潮水在向前推进图 5 ：波浪在传播在导线上的一个固定地点，它的电平是如潮头逐渐上升的，这个上升的波形，就是我们平常可以用示波器测量的上升沿，这个上升沿有快有慢，高速信号，需要上升沿和下降沿都要快，否则电平还没到，下一个信号电平又来了。而低频信号并不等于上升沿下降沿就平缓，它也可以比较陡。低频信号如果上升沿和下降沿比较陡的，也要当高频信号来处理。图 6：传输
8、线模型2如何简单理解信号传播与信号回路问题我们可以这样来简单理解信号传播与信号回路问题，一个信号在导体里传播，它就要受到导体上电阻的衰减，电感的阻碍，给寄生电容充电和介质漏电等。微分导线后可见，信号峰头到这里来后，由于给寄生电容充电和介质漏电，它就会沿传播路径下的参考平面有一个返回电流，然后到下一个微分点，电流又返回到前一个点，这个信号还未传到终点前，沿导线的传播路径的返回电流一直存在，等信号到达终点后，整个通路建立平衡后，返回路径才从信号最好走的（最短路径，最小电阻）路径返回。低速信号地回路路径低速信号的信号峰头从始点到终点的时间和高速信号一样，但它两个信号间时间比较长，信号推进时从导体路径
9、返回电流，平衡后从最短路径返回。而信号峰头从始点到终点的时间远小于信号周期，所以大部分电流从最短路径返回了。图 7：低速信号地回路路径高速信号地回路路径高速信号和低速信号不一样，它的波形一个接一个的，所以绝大部分返回电流从信号传播路径返回。图 8：高速信号地回路路径前面说过，在 FR4 的相对介电系数为4 的 PCB 中，信号传播速度是约为15 cm/ns。如果我们以15cm长的导体来传信号，信号从这头传到那头就要1ns 的时间，一个500MHz的时钟信号在里面传播，就是一个波的峰头还没到，第二波形又发出去了。这样一个波一个波的传过去，返回的电流一直从传播路径上走。信号传播，也相当于在给沿途的
10、寄生电容充电，寄生电容的负端就有返回电流了。图 9：耦合产生寄生电容的返回模型为什么要讲返回路径我们为什么要讲返回路径，返回路径是信号传播的原动力，只有让返回路径畅通，信号传播途中才有电压差，才使信号向前走。所以返回路径是电子电路必不可少的，是设计 PCB 特别是高速电路一定要考虑的，否则，就有串扰，反射，过冲，波形畸变等各种情况产生，电路工作不正常。返回路径就是参考面，参考平面是阻抗的一大因子。在下图中， 是单端导线的截面图，阻抗与 H1 成正比， 与 Er 成反比， 与 W1 、W2 、T1 成反比，大家可以看出，W1 ， W2 ， T1 是一个梯形面，这三个参数组成的就是导体截面，实际阻抗与导线截面积成反比。也就是说，特性阻抗是与导体截面积、导体到参考平面的距离和导体到参考平面间介质的介电常数有关的。图 10 ：导线与参考面截面我们在设计 PCB 板时，要设计好参考平面我们在设计PCB 板时，设计好参考平面，如四层板，中间两层是参考层；六层板，第二层和第五层是参考层。参考平面可以是地层，也可以是电源层，以地为参考层更好。
