PCB 設計中的傳輸線(xiàn)計算器

2021-06-18

PCB 設計中的傳輸線(xiàn)計算器

傳輸線(xiàn)是使現代生活成為可能的那些看似復雜的事物之一?？此坪?jiǎn)單的金屬電纜，實(shí)際上是精心設計的系統。PCB 上的痕跡也不例外，它們就像為電子設備供電的血管。

那么什么是傳輸線(xiàn)呢？該術(shù)語(yǔ)最初用于創(chuàng )建 PCB 上的走線(xiàn)和民用電源線(xiàn)之間的類(lèi)比。術(shù)語(yǔ)“傳輸線(xiàn)”往往在沒(méi)有太多上下文的情況下被拋出。并非 PCB 上的所有走線(xiàn)都是傳輸線(xiàn)，在某些情況下，傳輸線(xiàn)的設計規則變得很重要。

我的痕跡是傳輸線(xiàn)嗎？

術(shù)語(yǔ)“傳輸線(xiàn)”是指 PCB 上走線(xiàn)的行為而非其結構。給定的跡線(xiàn)在某些條件下可能表現為傳輸線(xiàn)，而在其他條件下表現為簡(jiǎn)單的導體。

走線(xiàn)是否像傳輸線(xiàn)一樣的答案取決于信號沿走線(xiàn)傳播所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間被稱(chēng)為線(xiàn)路延遲、傳播延遲或傳輸延遲，所有這些術(shù)語(yǔ)都可以互換使用。

如果走線(xiàn)中的線(xiàn)路延遲遠長(cháng)于在走線(xiàn)上傳輸的數字信號的上升時(shí)間，那么走線(xiàn)將起到傳輸線(xiàn)的作用。對于模擬信號，上升時(shí)間為信號振蕩周期的四分之一。在這兩種情況下，每一端的走線(xiàn)和組件都需要阻抗匹配，以防止出現各種信號完整性問(wèn)題。

輸電線(xiàn)路

在線(xiàn)傳輸線(xiàn)計算器

如果您想要一種快速而骯臟的方法來(lái)設計具有特定阻抗值的走線(xiàn)，您可以使用在線(xiàn)傳輸線(xiàn)計算器。該工具可以計算多個(gè)關(guān)鍵參數，例如單位長(cháng)度，用于描述不同排列的走線(xiàn)，包括微帶線(xiàn)、嵌入式微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)走線(xiàn)。

您將開(kāi)始注意到的一件事是，大多數在線(xiàn)傳輸線(xiàn)計算器完全忽略了傳輸線(xiàn)阻抗的頻率依賴(lài)性。實(shí)際上，由于頻率存在影響，并且該影響更明顯取決于系統中的電阻、電容、電感和電導。

低頻信號遇到的阻抗往往比高頻阻抗對頻率變化更敏感。一些在線(xiàn)傳輸線(xiàn)計算器并不總是允許您探索低頻下的阻抗，它們通常假設您在高頻下工作。

在非常高的頻率下，如 RF 應用中使用的頻率，這種頻率依賴(lài)性會(huì )飽和到一個(gè)恒定值。因此，大多數在線(xiàn)計算器都假設您的工作頻率足夠高，可以忽略這種依賴(lài)性。

傳輸線(xiàn)計算器的一個(gè)重要輸出是有效介電常數。該參數取決于走線(xiàn)的尺寸，以及導體和基板介電常數之間的對比。該參數與光纖中的有效折射率起著(zhù)相同的作用，因為它決定了信號沿傳輸線(xiàn)傳播的速度。

這是在線(xiàn)傳輸線(xiàn)計算器也很有用的地方。獲得有效介電常數后，您可以使用它來(lái)計算走線(xiàn)中的線(xiàn)路延遲。在計算線(xiàn)路延遲并將其與您的信號上升時(shí)間進(jìn)行比較后，您將得到關(guān)于您的走線(xiàn)是否真正作為傳輸線(xiàn)路運行的答案。

SPICE 仿真和傳輸線(xiàn)

SPICE 模擬器可用于檢查 PCB 中的信號完整性問(wèn)題，尤其是在高速、高頻、HDI和低電流應用中。并非所有 SPICE 仿真都會(huì )直接返回傳輸線(xiàn)的阻抗值；它們將允許您診斷由走線(xiàn)和組件之間的阻抗不匹配引起的信號完整性問(wèn)題。在線(xiàn)和桌面設計軟件包可讓您訪(fǎng)問(wèn) SPICE 仿真。

由于金屬元素被基板電介質(zhì)隔開(kāi)，所有 PCB 都有一些寄生電容和電感。使用 SPICE 仿真時(shí)，必須通過(guò)在等效電路模型中添加串聯(lián)電容器和電感器以及并聯(lián)位置來(lái)模擬寄生阻抗的影響。

典型的 SPICE 仿真不直接包括這一點(diǎn)，您必須在關(guān)鍵點(diǎn)添加電感器和電容器以考慮寄生電抗。更高級的 SPICE 模擬器直接考慮了這一點(diǎn)。寄生電容和電感可以直接根據 PCB 基板的介電常數和板上導體的排列來(lái)計算。

一個(gè)好的 SPICE 模型的輸出是有用的，因為它允許您可視化諸如振鈴、地彈、由于傳播延遲導致的信號失配，甚至噪聲耦合等問(wèn)題。在制造之前診斷這些信號問(wèn)題可以幫助您避免訂購一批有缺陷的電路板。

此輸出通常顯示在電壓（或電流）與時(shí)間的關(guān)系圖上。這種類(lèi)型的輸出讓您可以比較輸入和輸出信號強度、傳播延遲和信號完整性。在頻域中工作時(shí)，您可以看到定義輸入和輸出信號之間關(guān)系的傳遞函數。