傳輸線(xiàn)上的負載電容如何影響信號

2020-10-31

使用傳輸線(xiàn)時(shí)，組件的負載電容會(huì )對接收器處的信號行為產(chǎn)生重要影響，因此了解如何影響PCB中的負載電容也很重要。

當您需要分析給定負載分量在傳輸線(xiàn)上的信號行為時(shí)，負載電容會(huì )影響S參數和傳輸線(xiàn)的傳遞函數，因此需要將其包含在高速/高頻信號分析中。此外，負載處的實(shí)際輸入阻抗由頻率足夠高時(shí)的負載電容確定。通過(guò)這種方法，您可以更好地了解負載電容，并確定負載電容如何影響PCB上傳輸線(xiàn)中的信號。

什么是負載電容？

集成電路上的負載電容是輸入引線(xiàn)和最近的參考平面之間的寄生元件。換句話(huà)說(shuō)，連接到組件和傳輸線(xiàn)的輸入焊盤(pán)將看到一個(gè)與公共接地基準點(diǎn)并聯(lián)的電容（假設傳輸線(xiàn)和IC共享同一接地層）。

發(fā)生這種情況的原因是，當信號到達接收器時(shí)，連接到傳輸線(xiàn)的焊盤(pán)被施加一定的電壓，但是它通過(guò)PCB基板和集成電路管芯與接地層分開(kāi)。請注意，目前暫時(shí)省略了引腳封裝電感，該電感將作為傳輸線(xiàn)和焊盤(pán)之間的串聯(lián)元件。焊盤(pán)/接地層與引線(xiàn)/管芯接地層平行的寄生電容給出了總負載電容。如下電路圖所示：

傳輸線(xiàn)在IC的輸入焊盤(pán)上帶有負載電容。

終止

在上面的示例中，解決固有阻抗失配的自然解決方案是施加端接?？紤]在特性阻抗處并聯(lián)電阻端接（集成在IC中或與外部電阻一起使用）。在低頻下，負載阻抗似乎是終端阻抗。但是，在高頻下，負載阻抗似乎完全歸因于負載電容。這里的要點(diǎn)是：由于負載電容，您只能在有限的帶寬上進(jìn)行阻抗匹配。

源端電容

人們自然會(huì )問(wèn)，傳輸線(xiàn)源側的電容如何？確實(shí)，由于焊盤(pán)的存在，有一些源電容決定了驅動(dòng)器的輸出阻抗。建模時(shí)通常會(huì )忽略這一點(diǎn)，因為從（驅動(dòng)器+傳輸線(xiàn)）系統獲得的信號僅在驅動(dòng)器外部進(jìn)行測量。因此，我們基本上不必擔心信號如何到達那里，而只是可以測量它是什么。我們只需要擔心（傳輸線(xiàn)+負載）系統的輸入阻抗。

負載阻抗傳遞函數

無(wú)論將任何信號發(fā)射到傳輸線(xiàn)中，都會(huì )受到負載電容的影響。然后用傳遞函數對其進(jìn)行量化。直觀(guān)地看一下上圖，電容就像是接地的并聯(lián)元件，用于信號的高頻分量。因此，即使在信號到達負載之前，連接到真實(shí)IC的傳輸線(xiàn)也起著(zhù)低通濾波器的作用！

直覺(jué)很好，但是我們如何量化呢？幸運的是，您可以使用傳遞函數檢查傳輸線(xiàn)的頻率響應。這向您展示了在拉普拉斯域或頻域中，負載阻抗和傳輸線(xiàn)的特性阻抗如何影響頻域中的信號。然后，您可以使用傅立葉變換將其轉換回時(shí)域，以比較初始啟動(dòng)信號和負載處接收到的信號。

為此，將ABCD參數用于傳輸線(xiàn)是最容易的。這些與單端線(xiàn)的S參數（插入損耗和回波損耗）有關(guān)。單端線(xiàn)路的ABCD矩陣是根據線(xiàn)路的特性阻抗定義的，其含義與S參數相似：

用ABCD參數表示傳遞函數的一般公式。

現在，將這些值插入具有定義的源阻抗和負載阻抗的兩端口網(wǎng)絡(luò )的傳遞函數的以下通用公式中（注意，負載阻抗如上所示）：

用ABCD參數表示傳遞函數的一般公式。

如果我們假設源與傳輸線(xiàn)匹配，則傳輸線(xiàn)具有以下傳遞函數。目前，我已經(jīng)在Laplace域中編寫(xiě)了此代碼：

拉普拉斯域中的傳輸線(xiàn)傳遞函數。

請注意，有關(guān)電氣長(cháng)線(xiàn)（即，比臨界長(cháng)度長(cháng)）的集成電路設計的文獻中給出了一個(gè)非常相似的方程式。該方程式準確地告訴您傳輸線(xiàn)的阻抗和負載電容如何影響信號。注意，通常，此等式中的量很復雜（包括傳播常數），并且適用于線(xiàn)路有任何損耗水平的情況。

對于要用于分析的方程式，您需要包括所有可能在系統中造成失真和損耗的影響。這些包括：

電介質(zhì)中的色散和損耗

銅粗糙度

與銅粗糙度有關(guān)的集膚效應損耗

以了解有關(guān)傳輸線(xiàn)中這些失真和損耗源的更多信息，以及如何進(jìn)行分析建模。

分析負載電容的影響

使用傳遞函數可以很容易地分析負載電容對傳輸線(xiàn)和任何傳播信號的影響。最好將其匯總在圖表中。下圖顯示了特征阻抗為50歐姆的FR4（10 cm帶狀線(xiàn)，0.48 mm平面間距/0.198 mm寬度，無(wú)色散，Dk = 4.4，損耗角正切= 0.02）上的傳輸線(xiàn)的傳遞函數幅度和相位與并行端接。在頂部圖中可以清楚地看到高達1-10 GHz的低通行為。

傳輸線(xiàn)的頻率響應衰減與負載電容

從該圖可以看出，隨著(zhù)負載電容的減小，直到更高的頻率才會(huì )出現低通滾降。僅通過(guò)使用具有較小負載電容的組件，我們就能獲得幾個(gè)額外的GHz余量。在中頻處（低于第一個(gè)相位反轉），由于相位曲線(xiàn)在約10 GHz以下更平坦，因此失真較小。兩條曲線(xiàn)都應說(shuō)明在信號帶寬中阻抗匹配高達高頻的難度。在這里，我們甚至沒(méi)有在這些計算中包括銅的粗糙度，纖維編織效應或集膚效應。

在高速/高頻設計上工作時(shí)，您只能控制從PCB一側在傳輸線(xiàn)上看到的寄生負載電容。您選擇的集成電路將具有無(wú)法更改的定義輸入電容。但是，您可以拉動(dòng)3個(gè)杠桿來(lái)控制傳輸線(xiàn)看到的總負載電容：

表面層層壓板的厚度。PCB對負載電容的寄生影響與層的厚度成正比，因此，在表面層與相鄰的接地層之間使用較薄的層壓板有助于將滾降推到更高的頻率。 

層壓板介電常數。PCB對總負載電容的貢獻與層壓板的Dk值成正比，因此在表面層使用低Dk層壓板可提供較低的總負載電容。 

組件。引線(xiàn)尺寸較小的組件將趨向于具有較小的負載電容。如果需要將信號完整性保持在非常高的頻率（約10 GHz）下，則在選擇組件時(shí)請記住這一點(diǎn)。 

傳輸線(xiàn)短？使用電路模擬器

當線(xiàn)路很小時(shí)，我們無(wú)需采用行波方法，而只需使用電路理論來(lái)描述傳輸線(xiàn)。這有效地形成了一個(gè)不匹配的Pi網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )在高頻下也表現出低通行為。區別在于，可能會(huì )發(fā)生諧振和瞬變，就像在標準RLC電路中看到的那樣。要檢查這種類(lèi)型的系統，可以使用原理圖設計軟件中的電路仿真工具來(lái)了解信號行為以及需要嚴格阻尼的設計信號行為。