传输线与端接

传输线理论与端接主板 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 处XXX2010.06.09内容提要何为传输线？为何使用传输线？传输线的结构模型传输线与反射传输线的端接何为传输线简单地说，传输线是由两条有一定长度的导线组成的传输电磁能量和信号的线路传输线包括：TEM波传输线、波导传输线和表面波传输线何为传输线TwistPair双绞线Coax同轴线Coplanar共面线Microstrip微带线Stripline带状线EmbeddedMicrostrip嵌入微带线AsymmetricStripline非对称带状线以上皆为均匀传输线，即导线上任何一处的横截面都相同，也称可控阻抗传输线如果两条导线的间距是变化的而不恒定，如DIP或QFP封装的一对引脚，那么就是非均匀传输线何为传输线平衡传输线：非平衡传输线：两导线的相似程度双绞线、共面线同轴线、微带线无论传输线是均匀的还是非均匀的，平衡的或不平衡的，它只有一个作用：在可接受的失真度下，把信号从一端传输到另一端何为传输线研究传输线的方法“场”的分析方法：从麦氏方程组出发，解特定边界条件下的电磁场波动方程，求得场量（E和H）随时间和空间的变化规律，由此来分析电磁波的传输特性“路”的分析方法：将传输线作为分布参数来处理，得到传输线的等效电路，然后由等效电路根据基尔霍夫定律导出传输线方程，再解传输线方程，求得线上电压和电流随时间和空间的变化规律，最后由此规律分析电压和电流的传输特性，又称长线理论为何使用传输线普通点对点布线的缺点1.点对点布线存在大的电感，该电感与一个大电容一起工作时，会形成一个高Q值的电路，这样可能会引起振铃2.普通导线：电流从一个逻辑驱动器的信号线流出，然后以某种方式沿电源线返回，这两个路径的距离（环路总面积）……EMI传输线：信号返回电流紧贴着信号的输出路径，由此实现电流环路面积非常小，由输出和返回电流路径产生的磁场相互抵消，极大减少EMI问题3.另外，大量点对点的布线方式的串扰问题也相当严重传输线的结构模型传输线的瞬态阻抗——传输线的零阶模型传输线等效电气模型——传输线的一阶模型有损传输线——传输线的二阶模型 ☆趋肤效应 ☆介质损耗传输线的零阶模型☞当信号在传输线中传播时，电场就随之建立了，信号的速度取决于其在信号路径与返回路径周围材料中的交变电场和磁场的建立速度和传播速度☞传输线的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，电容之间的跨度为步长☞其中，v信号的速度，V信号的电压瞬态阻抗☞其中，CL为单位长度电容，er为材料的介电常数传输线的零阶模型特性阻抗：若传输线任何一处的瞬态阻抗都相同，则称它为传输线的特性阻抗，特性阻抗在数值上与瞬态阻抗相等，是传输线的固有属性，仅与材料特性、介电常数和单位长度的电容量有关常用特性阻抗不同特性阻抗线之间的比较传输线的一阶模型零阶模型物理模型，而非等效电气模型，没有考虑到每一小节的回路电感一阶模型☞运用网络理论，根据传输线的线参数和总长度，可以计算出传输线的特性阻抗和时延：传输线的一阶模型☞结合传输线的零阶模型，可以得到以下重要的关系式：☞从特性阻抗和速度的关系，可得到以下关系式：☞从传输线的时延和特性阻抗，可以得出下面关系式：传输线的一阶模型特性阻抗的近似计算：①经验法则②近似法③二维场求解器☞由经验，FR4板上50Ω微带线的线宽等于介质厚度的2倍，而50Ω的带状线，其两平面间的总介质厚度等于线宽的两倍只有3种类型的横截面有精确的公式，其它均为近似①②③传输线的一阶模型近似法：对于微带线，IPC推荐的通用近似公式：对于带状线，IPC推荐的通用近似公式：二维场求解器：将导体的几何结构作为边界条件，对拉普拉斯方程和其中一个麦克斯韦方程进行求解，在求解过程中把导体上电压设为1V，并对空间各处的电场求解，然后从电场中计算出导体上的电荷求解特性阻抗时， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 传输线具有均匀的几何结构，此时二维场求解器为精确计算传输线特性阻抗最合适的工具传输线的二阶模型传输线中的损耗：1.辐射损耗2.耦合到邻近的线条上3.阻抗不匹配4.导线损耗5.介质损耗信号沿实际有损传输线传播时，高频分量幅度减小而低频分量的幅度保持不变，由于这种选择性衰落，信号带宽降低，而产生上升边退化传输线的一阶近似模型是n节LC模型，通常称为无损耗模型，它考虑了传输线的两个重要特性：特性阻抗和时延，但没有考虑信号传播时的电压损耗传输线的二阶模型损耗源：导线电阻和趋肤效应趋肤效应：低频时，电流在导体内部分布密度是均匀的，但在高频时，导体表面的电流密度会变大，而中心区域几乎没有电流流过10MHz时，约50ohm的铜导线电流分布情况，由Ansoft二维仿真器得出，颜色越淡电流密度越高趋肤效应的机理：电流的分布取决于电流总是寻求最小阻抗的路径，即更高频率时，回路电感最低的路径，这转化为两种趋势- 1.导线中的电流尽可能伸展开来使导线自感最小 2.导线中反方向电流尽可能靠近以使这两个电流间互感最大为趋肤深度结论：传输线中导线串联电阻随着频率升高而增加传输线的二阶模型损耗源：介质介质损耗：以空气作为介质的理想电容器直流电阻是无限大的，它不消耗能量（电流电压正好90°相差），然而现实中介质材料都有相应的电阻率，电容两电极之间穿过实际填充材料存在漏电流，可以用理想电阻作为它的模型漏电流是流经电阻的，所以必然和电压相位一致，材料将消耗能量并造成损耗，其损耗：为材料的电导率为材料的体漏电阻率☞体漏电阻率与频率有关，频率越高，电阻率越低1.离子运动，这是直流电流的主导机理2.材料中永久电偶极子重取向，施以正弦电压，电偶极子来回摆动形成交流电流，频率越高，电流越大，从某转折频率起，电导率与频率成正比持续增高传输线的二阶模型损耗源：介质耗散因子：表征与偶极子运动有关的材料电气特性其中：tanδ为耗散因子n表示介质中偶极子的数目密度p表示偶极距，是电荷和偶极子间距离的度量Θmax表示电场中偶极子摆动幅度传输线的二阶模型理想有损传输线模型其中：RL表示导线单位长度的串联电阻CL表示单位长度电容LL表示单位长度串联回路电感GL表示由介质引起的单位长度并联电导传输线与反射反射形成机理阻抗变化处的反射协调两个重要边界条件：（交界面两侧）1.不可出现电压不连续，否则此处会有一个无限大的电场2.不可出现电流不连续，否则此处会有一个无限大的磁场Finally，传输线与反射3种特殊情况：（假设传输线特性阻抗为50ohm）1.传输线终端开路，反射系数为（无穷-50）/（无穷+50）=12.传输线末端与返回路径相短路，反射系数=-1，突变处电压为零3.传输线末端所接阻抗与传输线特性阻抗相匹配，即连接50ohm电阻，反射系数为0，不存在电压反射☞如果区域2开路，则反射系数为1，此时开路处有两个方向相反的波相叠加☜信号从50ohm的区域1到区域2的各种阻抗时的反射系数☞对于1V的入射信号，终端两端的电压值，该电压为入射波和反射波之和传输线与反射反弹图传输线与反射传输线的端接传输线和非故意突变：1.线的末端2.封装引线3.输入门电容4.信号层间的过孔5.拐角6.桩线7.分支8.测试焊盘9.返回路径上的间隙10.过孔区域中的颈状11.线交叉用传输线示例三种特殊阻抗突变的情况：短传输线的串联和并联、并联电容、串联电感传输线的端接何时需要端接：当电缆长度超过上升沿电长度的1/6时，电缆需要端接器，若没有，长电缆任何一端的反射都会使信号无法传输点对点拓扑结构中4种常用的端接方法在传输线分别有和没有端接串联电阻时，其远端的快速上升边电压信号传输线的端接—源端端接指在尽量靠近源端的位置串联一个电阻RS以匹配信号源的阻抗，使源端反射系数为零，从而抑制从负载反射回来的信号再从源端反射回负载端。RS加上驱动源的输出阻抗ZS应等于传输线阻抗Zo，即RS＝Zo-Zs串联电阻的值通常选择在15～75Ω，较多的选择为33Ω优点：每条线只需要一个端接电阻，无须直流电源相连接，因此不消耗过多的电能；当驱动高容性负载时可提供限流作用，这种限流作用可以帮助减小地弹噪声。缺点：由于串联电阻的分压作用，在走线路径中间，电压仅是源电压的一半，所以不能驱动分布式负载；由于在信号通路上串联了电阻，增加了RC时间常数，从而减缓了负载端信号的上升时间，因而不适合于高频信号通路（如高速时钟等）。需要注意的是，该串联电阻必须尽可能地靠近源驱动器的输出端，并且最好不要在PCB上使用过孔，因为过孔存在电容和电感。传输线的端接—源端端接源端匹配电路有以下特征：1.输出波形在经过串联电阻后的强度只有原来的一半；2.传到传输线终端的信号强度只有原始信号的一半；3.在传输线的终端（开路的情况下）信号的反射系数是+1。反射信号的强度也是原始信号的一半。一半的反射信号和原始输出的一半信号相加形成传输线终端的信号电平。4.反射信号（原始信号强度的一半）沿着传输线往源端回传，到达匹配电阻后被抑制。5.终端反射回来的信号到达源端后，输出电流降到零直到下次传送开始。在一些高速系统中，在反射回到源端之前下一次传输就已经开始了。传输线的端接—并联端接并联端接也称DC并联端接，这种方式通过在接收器的输入端（即布线网络的末端）连接一个终端电阻RP（RP＝Zo）下拉到地或者上拉到直流电源来实现匹配，反射在负载端消除，如图所示优点：设计简单、易行缺点：消耗直流功率，在要求低功耗的便携式设备中无法使用。此外，这种上拉到电源可以提高驱动器的驱动能力，但会抬高信号的低电平；而下拉到地能提高电流的吸收能力，但会拉低信号的高电平。传输线的端接—戴维宁端接戴维宁端接即分压器型端接，如图所示它采用上拉电阻Rp1和下拉电阻Rp2；构成端接电阻，通过Rp1和Rp2吸收反射。戴维宁终端等效阻抗为此阻抗须等于传输线特性阻抗Zo以达到最佳匹配。　　端接电阻Rpl和Rp2阻值的选取应重点考虑避免设置不合适的负载电压参考电平，该电平用于高、低逻辑变换点。Rp1／Rp2比值决定逻辑高和低驱动电流的相对比例。Rp1=Rp2时，对高、低逻辑的驱动要求相同；Rpl＜Rp2时，逻辑低对电流的要求比逻辑高大；Rp1＞Rp2时，逻辑高对电流的要求比逻辑低大。传输线的端接—戴维宁端接优点：·在整个网络上可与分布负载一起使用；·可完全吸收发送的波而消除反射；·当无信号驱动线路时，设置线路电压；·特别适用于总线使用。缺点：从电源Vcc到地总有一个直流电流存在，导致匹配电阻中有直流功耗，减小了噪声容限，除非驱动器可提供大的电流。　　戴维宁端接方式非常适合高速背板设计、长传输线，以及大负载的应用场合，通过两并联电阻将负载的电压级保持在最优的开关点附近，则驱动器可以用较小的功率来驱动总线。传输线的端接—RC端接RC网络端接又称交流负载端接，使用串联RC网络作为端接阻抗可消除网络末端反射，如图所示端接电阻Rp要等于传输线阻抗Zo电容Cp的选择应保证RC网络的时间常数应大于传播延时的两倍，即“RpCp＞2TD”，通常使用0.1μF的多层陶瓷电容对于具体设计，通过仿真来确定容值。优点：电容阻隔了直流通路而不会产生额外的直流功耗，同时允许高频能量通过而起到了低通滤波器的作用缺点：RC网络的时间常数会降低信号的速率。此外，附加电阻和电容占用板子空间，并增加成本。传输线的端接—二极管端接如图所示为二极管端接方式将一个二极管串接在传输线末端和电源Vcc之间，另一个二极管串接在传输线末端和地之间。通常使用肖特基二极管，因为肖特基二极管具有低的导通电压。与其他端接方式不同的是，二极管终端不是试图匹配传输线的特性阻抗以消除反射。当接收端电压过冲时，二极管开始工作以稳定电压（钳位于Ground-Vf和Vcc+Vf之间）虽然它可以预防过冲，但存在两个缺点：反射仍然存在于系统之中；对高速信号的反映较慢。为了获得这种技术的优点，可以配合前面的几种方法一起使用。传输线的端接—常见问题总线设计中遇到的常见阻碍之一是由PCB生产偏差引起的传输线特征阻抗变化较大。PCB偏差影响全部的端接方法，然而它对源端端接会有更大的影响。一般地，例如低成本PCB板通常在加工后会与目标阻抗有差不多±15%变化。这意味着如果 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师规定PCB板的传输线阻抗为65Ω，则厂家将保证阻抗在55.25Ω(65Ω-15%)和74.75Ω(65Ω+15%)之间。最后，串扰将引入额外的阻抗变量。串扰感应变量的影响取决于走线之间的间隔、绝缘系数和横截面几何结构。对于短的传输线，当最小数字脉冲宽度长于传输线的时间延迟（TD）时，源端端接是合乎要求的，因为它消除了驱动器电流部分并联接地的要求。对于长的传输线，当数字脉冲宽度小于传输线延迟时间（TD）时，负载终端是较好的。因为负载端的反射将反射回源头端，并干扰沿线传播的信号，反射必须在负载端消除。